基于皮卫星的数字化智能航天电源系统设计

X651芯片将4.0V～16.5V范围内的任意的一次母线电压分别转换为3.3V与5V，供给星上各分系统的能量需求。当输出电流处于10mA～1.5A范围内，芯片功率转换效率可达到90％以上。

放电调节器同样由受微控制单元驱动的n-MOSFET与p-MOSFET组合电子开关构成。

1.6 串行通信单元

串行通信单元电路以双通道串口通信驱动芯片MAX232为核心，使用串口通信标准EIA-RS-232C协议。MAX232将单片机输出的TTL电平信号 "逻辑1电平+5V，逻辑0电平0V"，转化为上位机RS-232C信号"逻辑1电平-5～-15V，逻辑0电平+5～+15V"。

2 皮卫星智能电源系统的软件与算法设计

2.1 皮卫星电源系统控制软件基本流程

电源系统控制软件流程主要以"信号巡回检测→PWM控制信号调整→系统运行参数传输→再次信号巡回检测"过程为主干，并在"巡检→控制→数据传输"过程中增加充电控制、放电控制等分支控制功能。控制软件采用模块化思想设计，由系统初始化模块，多路A/D转换模块、数字滤波模块、数据分析与控制模块、串口通信模块等组成[3]。

2.2 基于模糊控制逻辑的电导增量MPPT算法

皮卫星智能电源系统主要依靠软件中的MPPT算法实现其功率的最大化。MPPT算法原理在于：在一定的温度与光强条件下，卫星电源使用的太阳电池阵的输出电压与电流存在着非线性的关系，当输出电压到达特定值Vmp，与对应电流值Imp之间乘积达到最大值，即为太阳电池阵峰值输出功率点Pmp。

在峰值功率点处，输出功率对输出电压的微分

dP/dV = d(VI)/dV = I+V dI/dV = 0 　　（2）
进一步推导，可得：-dI/dV = I/V 　　（3）

由此关系，建立基于模糊控制逻辑的电导增量MPPT算法。

其中，V(n),V(n-1),I(n),I(n-1)分别为当前时刻与上一时刻的太阳电池阵输出电压、电流值，D(n),D(n+1)分别为当前时刻与下一时刻的占空比，△D为占空比调整步长。根据采集的电流、电压信号，微处理单元不断增减PWM信号占空比，利用Boost电压变换电路调整太阳电池阵的输出电压，从而使工作点到达峰值功率点Pmp，卫星电源系统获得最大的输出功率。

进一步，在基本算法的基础上引入模糊控制逻辑，其作用为加快峰值功率跟踪的速度。模糊逻辑控制器的两个输入变量分别取为当前时刻电导增量差值e(n)= -dI/dV- I/V和占空比调整步长△D(n)，输出变量取为下一时刻的占空比调整步长△D(n+1)。然后建立相应的隶属度函数与模糊规则库，此处从略。模拟实验表明，在标准空间环境条件(AM0,25℃)下，引入模糊控制逻辑后的电导增量MPPT算法，其峰值功率跟踪所需时间减少了60％以上。

3 结论

本文针对皮卫星电源系统的特点开发了一套智能化的航天电源系统，该电源系统以ATmega8L单片机为核心，对电源系统各关键节点的信号进行实时采集与处理，并运用峰值功率跟踪等控制策略，控制系统工作状态。模拟实验表明，该电源系统在标准空间环境条件(AM0,25℃)下，峰值功率跟踪性能良好，最大输入功率达到约2.75W，电源整体效率保持在82％以上。

本文创新点：采用ATmega8L单片机为核心控制器，在航天电源系统中实现了运行参数实时采集、系统自主功率跟踪、充放电调节以及上、下位机数据通信等智能化控制方法；提出了基于模糊控制逻辑的电导增量MPPT算法，快速实现对电源系统输入峰值功率的跟踪。