基于S4R技术的空间站电源系统的仿真毕业设计论文.docx
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基于S4R技术的空间站电源系统的仿真毕业设计论文
基于S4R技术的空间站电源系统的仿真
摘要
S4R作为一种新型卫星母线调节技术能够很好的控制母线电压，稳定地为负载供电。
同时，具有优良的蓄电池充放电效率。
能充分合理的利用太阳能，稳定高效维持的空间站等航天载具的工作。
本文在查阅各种文献的基础上，从S4R原理出发，先对S4R和S4R技术进行了比较，然后给出S4R电路的实现方法。
并在此基础进行仿真，结合实际波形设计电路参数。
最后阐述了本次研究的不足与展望。
关键词：
S3R，S4R，仿真分析与实现
Technology-basedS4Rpowersystemsimulationforspacestation
Abstract
S4Rregulationasanewsatellitebustechnologycanwellcontrolthebusvoltage,andstabilitytotheload.Atthesametime,hasanexcellentbatterychargeanddischargeefficiency.Fullandrationaluseofsolarenergy,stableandefficienttomaintaintheSpaceStationandotherspacevehicleswork.Accesstotheliterature,thispaperbasedontheprincipleofstartingfromtheS4R,firstontheS4RandS4Rtechnologyarecompared,andthengivesS4Rcircuitrealization.Onthisbasis,thesimulation,combinedwiththeactualwavecircuitdesignparameters.Finally,itdiscussedthedeficienciesofthisstudyandprospect.
Keywords:
S3R,S4R,simulationanalysisandimplementation,inadequateandprospects
摘要3
第一章S4R系统及其与S3R系统的比较5
1.1空间站电源系统的基本要求5
1.2S4R与S3R系统的比较5
第二章电路仿真及参数选择5
2.1仿真目标及软件选择6
2.1.1仿真目标6
2.1.2仿真软件6
2.2原理图拓扑结构分析6
2.2.1电路基本模块6
2.2.2电路功能6
2.3电路图器件参数选择7
第三章各模块详细参数设计7
3.1PI参数设置7
3.2滤波电路和参数设计9
3.3滞缓、抗饱和电路的引入18
3.4非理想器件对电路的影响19
第4章仿真结果、不足及展望21
4.1仿真结果21
4.2不足及展望21
4.2.1逻辑控制电路22
4.2.2蓄电池充电模块24
参考文献27
致谢27
第一章S4R系统及其与S3R系统的比较
1.1空间站电源系统的基本要求
空间站电源为太阳能电池阵，每个太阳能电池阵应实现三个不同的功能：
负载供电，蓄电池充电，分流。
太阳能电池阵首先应满足负载供电要求，其次蓄电池限流充电，只有在负载和蓄电池需求同时被满足的时候，多余的电能才能被分流支路分流掉。
1.2S4R与S3R系统的比较
S3R和S4R系统原理框图如下
图1S3R系统原理图图2S4R系统原理图
S3R系统由分流调节单元（SR）、蓄电池充电单元（BCR）、蓄电池放电单元（BDR）组成，其控制原理为:
将太阳能电池阵分块，利用SR控制向负载供电的太阳能电池阵分块个数。
在光照期，SR控制负载总功率，BCR由负载总线获取充电能量，当光照期负载功率需求增加时，通过减小BCR充电能量或增加负载供电太阳能电池分块个数达到功率调节目的，当光照期负载功率需求超过太阳能电池供电能力时，由SDR放电实现功率调节。
在无光照期，使用BDR放电供电。
S4R系统主要由一个SR替代S3R中的BCR单元，其控制原理为:
电池充电与总线供电相对独立互相并联，各自使用S3R相同的总线调节方式。
两个开关分流部分对开关管的开关控制方向相反。
电池充电使用总线不使用的太阳能电池阵列分块。
当总线供电与电池充电竞争同一块太阳能电池阵列分块时，总线供电优先。
S4R在S3R模块的基础上增加了串联充电通路，把充电调节器也改造成多级顺序的工作方式。
在可靠性、效率提升方面上了一个新台阶。
但是，S4R的控制技术较S3R要复杂，需要一个控制逻辑电路。
在整体系统不是很大的情况下，各有优劣，需要从空间站的规模，用电设备要求等具体情况分析。
但从现在科技水平发展看，空间站用电负荷不断增加，需要发展质量比能量、质量比功率大，长寿命，高可靠性，能适应空间攻防的电源系统。
因此，采用S4R是发展趋势。
小结：
本章主要介绍了空间站电源系统的基本要求，S4R与S3R系统的基本原理和比较。
本次设计将围绕S4R的拓扑电路展开，对其中的参数和拓扑结构进行研究。
第二章电路仿真及参数选择
2.1仿真目标及软件选择
2.1.1仿真目标
①负载电压稳定在30v±0.1。
②能够采用限流方式向蓄电池充电，充电电流为4A。
2.1.2仿真软件
在本次课设中我使用MATLAB2009A版本仿真分析，其他版本或其他软件打开该仿真模型可能会出现不可预知的错误。
2.2原理图拓扑结构分析（主电路图见图3）
2.2.1电路基本模块
①负载供电回路：
太阳能电池Sun+极→负载供电回路二极管Diode1→负载Load（含滤波电路）→太阳能电池Sun-极
②蓄电池充电回路：
太阳能电池Sun+极→蓄电池充电回路Diode2→控制开关Switch2→蓄电池Battery→滤波电路→太阳能电池Sun-极
③负载电压检测反馈回路：
电压检测器voltagemeasurement1→加法器Add1.1→PI调节系统→抗饱和电路Saturation1→迟滞比较器Relay1→控制开关Switch2
④充电电流检测回路：
电压检测器voltagemeasurement2→加法器Add2.1→PI调节系统→抗饱和电路Saturation2→迟滞比较器Relay2→控制开关Switch1
⑤放流回路：
太阳能电池Sun+极→控制开关Switch1→太阳能电池Sun-极
2.2.2电路功能
①负载供电：
当太阳能电池受光照即可以发电时，首先保证负载供电，上图电路中负载供电标准电压设为30V。
此时负载供电回路导通。
②蓄电池充电：
前提如上，当太阳能电池满足负载供电要求后还有一定电能剩余，负载电压检测回路使蓄电池充电电压回路的控制开关导通，多余电能可以送至蓄电池供其充电使用。
③：
多余电能分流：
前提如上，当太阳能电池满足蓄电池充电要求（上图中设蓄电池充电电流标准值为4A）后，蓄电池电压检测回路使分流回路控制开关Switch1导通，多余电能分流。
图3仿真电路图
2.3电路图器件参数选择
整体仿真电路如图3所示。
太阳能电池阵采用恒流源仿真，调节恒流源输出电流的大小，模拟空间太阳能电池阵在不同光照下的工作情况。
电路总体分为三条支路，由右到左分别为负载支路，充电池充电支路（额定充电电流4A），分流支路。
具体对应情况参照下表所示。
元件标号
元件参数
元件说明
Sun
3-15A
太阳能电池阵
Diode1
见附表
负载回路二极管，防止负载回路回流
Load
10Ω
负载，设计为纯电阻负载，额定电压30V，额定电流3A
C1
10μ
负载回路滤波电容
L1
0.1H
负载回路滤波电感
P1
30
负载回路电压差值比例P调节参数
I1
8
负载回路电压差值积分I调节参数
Saturation1
±0.25
负载回路电压差值抗饱和系数
Relay1
±0.1
负载回路电压差值迟滞比较系数
Switch2
见附表
负载回路充电回路开关
Diode2
见附表
充电回路二极管，防止充电回路回流给负载（在光照条件下）
Battery
24V
充电蓄电池，设计用恒压直流电源代替
C2
10μ
充电回路滤波电容
L2
0.1H
充电回路滤波电感
P2
30
充电回路电压差值比例P调节参数
I2
8
充电回路电压差值积分I调节参数
Saturation2
±0.5
充电回路电压差值抗饱和系数
Relay2
±0.1
充电回路电压差值迟滞比较系数
Switch3
见附表
分流回路开关
小结：
以上述电路及其参数仿真后结果令人满意，详见第四章结果。
但电路中采用了很多理想器件，和实际使用时的结果会有一定的偏差。
详细的电路参数设计将在下文中阐述。
第三章各模块详细参数设计
3.1PI参数设置
PI调节即为比例积分调节，通过设置合理比列积分参数可使检测到的电压波形趋于稳定，以便于控制开关。
PI调节传递函数形如A+B/s，下面结合实际波形阐述参数A,B对波形的影响。
（蓄电池和负载检测回路的原理相似，这里仅以蓄电池检测回路的PI系统为例论述。
）
①比例环节参数（A）对系统的影响
保持积分环节8/s不变，当A=1，即传递函数为1+8/s时，波形如下
图4
可以看出，波形在3.6V到4.2V之间波动很大，且平均值略低于理论值4V。
将比例环节参数设为18，波形如下
图5波形有了明显的改进
②积分环节参数（B）对系统的影响
保持比例环节参数A=18不变，当B=1时，波形如下
图6
当调节B=30时波形和上图相似。
可以说明积分环节对系统的影响很小。
以下是经过调整后的两路检测电压的波形：
其中负载检测端传递函数为30+8/s，蓄电池检测端传递函数为18+8/s
图7
3.2滤波电路和参数设计
当恒流源电流回路电流很低时（小于3A），充电和分流回路一直处于关断状态，此时负载输出电压、蓄电池充电电流都平稳，不需要滤波电容。
如图8
图8
当恒流源电流回路电流较低时（3A-7A），充电回路处于导通关断状态，而分流回路一直处于关断状态，此时负载输出电压、蓄电池充电电流都呈现锯齿波形，需要滤波电容。
如图9所示。
图9
当恒流源电流回路电流较高时（7A-12A），充电回路\分流回路均处于导通关断状态，此时负载输出电压、蓄电池充电电流都呈现锯齿波形，而且震动幅度很大，需要滤波电容。
如图10所示
图10
由于波动过大，为了输出稳定的电压电流，我们采用LC滤波的方式。
改进电路如图3所示。
从理论上分析，电容、电感都是越大越好，但考虑到实际情况和经济因素，我们对于不同电容电感的配置在最大电流（12A）工作情况下进行了测试。
有无抗饱和
C1参数
L1参数
对应波形
波形评价
无
10μ
0H
图11
电压振荡强烈
470μ
0H
图12
电压振荡-1-+5V，整体存在3V左右静差
0μ
0.01H
图13
电压振动幅度30V，震动频率下降，静差10V
0μ
0.1H
图14
电压振动幅度50V，震动频率下降，静差30V
10μ
0.01H
图15
电压平稳，波动+0.3V，调节时间小于0.005秒
10μ
0.1H
图16
电压平稳，波动-0.15V，调节时间较慢，0.03秒
有
470μ
0H
图17
电压平稳，没有波动
10μ
0H
图18
电压振荡-1V-0V，仿真过程非常缓慢
0μ
0.01H
图19
电压振荡-0.02V
0μ
0.1H
图20
电压振荡±0.01V
10μ
0.1H
图21
电压超调40V，调节时间0.03秒
10μ
0.01H
图22
电压超调1.7V，稳态误差+0.06V
图11
图12
图13
图14
图15
图16
图17
图18
图19
图20
图21
图22
上述分析，仅分析了改变负载回路滤波参数的情况，可以得到如下结论：
1、从有无抗饱和的对比上看，抗饱和环节有效减轻了滤波的负担
2、电容本身起到稳定电压的作用，但是会振荡频率较大，初始电压尖峰高，存在一定静差
3、电感本身起到稳定电压、减缓振荡频率，减小初始电压尖峰的作用。
但电感会加入一定静差，并且使初始状态的调节时间大大增加。
4、在含有抗饱和环节下，采用LC滤波效果并没有直接采用电感滤波效果好。
综上所述，在最终电路中，选择元器件参数为：
L1=0.1H，L2=0.01H,C2=10µ，C1取消。
仿真结果如下图所示，电压波形稳定，振荡±0.01V，无超调，动态性能非常好。
电流稳定，无静差，振荡±0.03A
图23
图24
3.3迟滞、抗饱和电路的引入
迟滞环节的存在，是为了把输出的模拟量变为的高低电平反馈（TTL）给控制开关管，一方面使电路工作更稳定，一方面防止过大的冲击电压将开关管元件击穿。
为了加强精确度，设置迟滞环节均为±0.1.
抗饱和环节，是指在输出电压、输出电流经过PI整定和迟滞比较的中间加入抗饱和环节，过滤掉PI后出现的尖峰信息，仅给予迟滞环节定性的数据。
没有加入抗饱和前，输出波形如25所示。
电压电流平均值虽然能满足要求，但是处在不断抖动中，难以平衡。
此时电路工作的电压、电流PI整定后波形如26所示
图25
设置饱和参数时，需要考虑实际输入量的范围，如果设置上下限过大，超过了所有输入值范围，则抗饱和环节没有起到相应的作用，同时，电路的瞬态反应会比较迟缓。
如果上下限过小，则大多数值都在饱和区，没有体现实际相差值的大小，这个缺点在单独一个太阳能电池块中还无法体现，但是在多块电池阵需要分别控制时，会造成无法判断实际工作情况的问题。
由上图可知，在电池电流12A时，输出值在0-50V。
因此电压抗饱和设置在50V，电流抗饱和设置在0.1A。
仿真结果见图26。
图26
必须说明的是，在一个太阳能电池阵仿真时，可以适当减小饱和系数值，加快电路的仿真速度。
3.4非理想器件对电路的影响
在上文分析中，所有开关元件和二极管均视为理想。
但这种情况在实际中试不可能的。
下面针对开关和二极管的非理想情况作分析。
①将负载供电回路的二极管电阻设为1Ω，其他元器件设为理想，波形如下
图27对波形几乎没有影响
②将蓄电池充电回路二极管电阻设为1Ω，其他器件设为理想。
波形如下
图28负载电压变高
③将蓄电池充电回路理想开关电阻设为1Ω，其他器件设为理想。
波形如下
图29负载电压升高
④经过多次试验，当蓄电池充电回路二极管电阻和理想开关电阻之和等于负载供电回路二极管电阻时，负载电压几乎不变。
如蓄电池充电回路二极管电阻设为1Ω，理想开关电阻设为1Ω，负载供电回路二极管电阻设为2Ω，波形如下
图30
小结：
在以上参数设计中，都采用调节待定参数观察输出波形的方法设计。
本章主要针对PI环节、滤波电路环节、抗饱和与迟滞环节进行了参数设计方面的讨论，并得出了满足设计要求的参数值。
在此基础上，探讨了不理想器件对电路的影响。
第3章仿真结果、不足及展望
4.1仿真结果
图22
图21局部放大，满足电压要求（30V±0.1V）
4.2不足及展望
最终仿真模型中我们只采用了一个恒流源代替太阳能电池阵，这样简化了电路，但没有实现多电池并联工作，同时也简化了逻辑控制单元。
下面对其分析。
4.2.1逻辑控制电路
负载供电调节、蓄电池充电调节是通过两个独立的闭环回路实现的。
但是，当负载供电回路与蓄电池充电回路在使用同一个太阳电池陈时，两个闭环回路不再是独立的闭环，他们将互相影响。
这时，就必须使用一个逻辑开关来决定哪个环路工作，哪个环路不工作，即当两个环路同时需要太阳分阵的时候，母线调节（负载充电）比电池充电具有更高的优先权，这就是通过逻辑控制单元实现的。
逻辑控制单元的外部仿真结构及功能
如图22根据母线电压采样值ln1及充电电流采样值ln2，分别控制量输出端Out1及Out2输出高电平或低电平，从而控制两逻辑开关的开通关断，从而决定负载供电与蓄电池充电哪个工作。
图22
逻辑控制单元内部逻辑结构及功能
图23
如图23所示，逻辑单元的内部结构由迟滞比较器，非门及与门组成，是控制开关管开通关断的核心部分。
逻辑分析
①参数设计
设计5个太阳电池分阵（自上而下分别标号1、2、3、4、5），根据PI控制及饱和电路的设计要求，设计每个太阳电池分阵里逻辑电路中迟滞比较器的上下限。
太阳电池
1
2
3
4
5
Relay
0
2.4
4.8
7.2
9.6
Relay1
2.4
4.8
7.2
9.6
12
②逻辑真值表
A1
A2
B
Out1
Out2
0
1
0
1
0
0
1
1
0
1
1
0
×
0
0
③功能分析
图24
逻辑电路的输入值In1、In2分别为负载电压、充电电流的标准值与采样值的差值，经PI及抗饱和电路的输出值。
情况一：
当In1高于迟滞比较器设置的上限值（switchonpoint）时，A1点为1（高电平），根据逻辑真值表可知，B点无论为0（低电平）、1，Out1、Out2均输出0。
如图3，则开关管1、2均断开，相应的一个或几个点样电池阵列只为负载供电，此时便实现了负载优先原则。
实际调节过程中，负载供电电压、蓄电池充电电流都是在不断变化的，这时闭环反馈调节的结果。
所以，在调解过程中，In1值有可能在递增也有可能在递减，这就造成逻辑开关的开通关断情况在不断变化。
情况二：
当A1=0B=1时，由真值表知，Out1=0，Out2=1则此时开关管1断开，2开通，太阳电池可同时为负载供电为蓄电池充电。
有迟滞电路知，当In1，In2的值均递减，且In1减小到低于迟滞下限值（说明负载已经满足要求不需要次太阳电池继续供电），In2值在迟滞上下限之间，则此时虽然负载供电通道是“打开”的，但只为蓄电池充电；当In1从低到高递增，且在迟滞上下限之间（说明负载供电仍不满足要求，但只需要次太阳电源的一部分电压即可完成供电要求），In2递减，且在迟滞上下限之间（情况与负载情况相同），则此时太阳电池阵同时完成负载供电及蓄电池供电任务。
此时，实现了负载优先原则，并且完成了在负载满足供电时可为蓄电池充电的任务。
情况三：
当A1=0，B=0时，Out1=1，Out2=0此时开关管1开通，2关断。
则此时负载供电与蓄电池充电同时满足条件及要求，都多余的点都被流掉了。
此时实现了最后的设计要求。
④震荡分析
进行MatlaB仿真，负载供电电压及蓄电池供电电流均有小范围的震荡，而不是理想的连续直线。
分析可知，当负载供电相应的输入值In1从低到高变化时，由于迟滞电路的特点，开关开通关断的情况并没有同步变化即负载供电通道没有同步打开，而是要增大到高于迟滞上限值时，开关才变化使负载供电通道打开，进行负载充电。
显然这影响了输出的波形。
蓄电池也有相同的迟滞问题。
因此，PI及饱和电路的参数设计极为重要，他是逻辑控制模块中迟滞上下限设置的决定性因素。
参数设计的合理，就能够使震荡范围很小，输出波形平稳。
4.2.2蓄电池充电模块
本文开始，一直用恒压直流电源代替蓄电池。
考虑到蓄电池的充放电特性、内阻等，可以更换为蓄电池模型，完善充电电路的分析。
根据参考文献，24V航空蓄电池基本参数如下：
被充电池组电压：
24V/28V
蓄电池标称容量：
30AH/182AH
最大充电电流：
28V档位18A、24V档位3A
24V均充电压：
29.5V
28V均充电压：
39.9V
采用MATLAB自带的铅酸蓄电池模型，如右图所示。
图25
其充放电曲线特性见下图所示。
图26
采用了铅酸蓄电池后电路图如下所示：
图27
关于蓄电池的特性参数设置是要考虑的一个重要问题。
如果采用蓄电池本身固有的参数，则会发现由于充电时间过长，在短时间的仿真中很难看出充电容量的变化以及对电路的影响。
电压
容量/AH
初始电量%
对应曲线
基本分析
24
30
80
图28
10s内充电容量没有变化，对电路输出无影响
24
0.1
80
图29
10s内充电到90%，端电压升至60V，输出电压增高至65V
24
0.01
80
图30
2s内充电到100%，充电完成后，输出电压稳定在30V
图28上面2幅为输出电压和输出电流，第三幅为蓄电池充电率、端电压、充电电流
图29
图30
从上面的分析可以说明，仿真中减小充电容量，加快充电速度，可以定性观察充电过程对于电路造成的影响。
在充电过程中，由于充电模型的不完善（也可能是相关参数设置有误），充电电流会使蓄电池电压不断升高，并影响到输出电压。
这是由于一旦输出电压高于30V，就会有蓄电池导通充电，而蓄电池端电压升高又会使输出电压升高，这形成正反馈。
小结：
本章首先给出了最终仿真结果，然后针对本次课设没有实现的功能和蓄电池模型进行单独讨论。
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
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