一种基于宽电压范围的双向多端口变换器的pcu控制系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及航天器电源控制器的控制系统。
【背景技术】
[0002]多端口变换器，特别是三端口变换器，在航天领域、汽车电子领域、光伏系统领域等众多领域有着重要的应用。通常，多个端口只能向其中一个端口单方向传输能力，而除该端口以外的其他端口之间不能传递能量。
[0003]专利文献1 (中国专利公开号:CN104868551 A)提出了一种基于FPGA的小卫星MPPT控制系统，开关电源电路与太阳能电池阵相连，为锂电池充电；电流取样电路、电压取样电路分别采集太阳能电池阵的输出电流、电压信号，调理滤波后经由A/D采样电路进行模数转换，并送进FPGA中，由FPGA实现功率跟踪控制，并输出PWM波信号，通过功率管驱动电路驱动开关电源电路正常工作。但是，该方案应用于太阳阵输入和电池输出，是两端口变换器，且只适用于小功率(小卫星)。
[0004]发明人在先的专利申请(中国专利公开号CN104993699 A)提出了一种新型非隔离宽电压范围双向三端口变换器和双向多端口变换器，如附图1和附图2所示，该变换器具有可扩展、宽电压调节范围、高效率、高功率密度的优点。在此基础上，如何进行基于双向三端口变换器的P⑶的控制，是亟待解决的问题。
【发明内容】
[0005]为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种宽电压范围的双向多端口变换器的控制系统。
[0006]本发明具体通过如下技术方案实现:
一种基于宽电压范围的双向多端口变换器的PCU控制系统，所述系统包括主功率部分、FPGA部分、数模转换部分、表决电路和被控量采样电路；其中，所述数模转换部分包括A/D转换电路和D/A转换电路；所述主功率部分由N个主功率变换模块组成，每一个主动率模块采用双向三端口变换器，实现太阳能阵SA、母线BUS和电池BAT间能量的调节和调度，所述N个主功率模块间通过并联进行功率扩展；所述FPGA部分包括N个FPGA模块，与所述N个主动率模块对应；所述被控量采样电路采样所述功率部分的被控量，通过A/D转换电路提供给所述FPGA部分，所述FPGA给出的驱动信号通过D/A转换电路后分别控制所述N个主功率模块；所述FPGA部分作为所述系统的控制核心，通过控制算法和控制逻辑使所述主功率模块的变换器实现以下功能:
输出功率大于输入功率时，输入SA端进行MPPT，提高能量利用率，对于同等输出功率的电源控制，带有MPPT功能的电源控制器所需配备的SA的体积和重量减少，降低了发射成本；
母线按照设定电压恒压输出，通过均流算法实现N个功率模块间母线电流的均流，且通过算法使FPGA输出的各模块间驱动有相同相位差，降低母线电压纹波； 电池侧实现恒流充电和涓流充电，通过算法使FPGA输出的各模块间驱动有相同相位差，降低电池电流纹波，延长电池寿命。
[0007]作为本发明的进一步改进，所述双向三端口变换器，包括开关管元件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6，电感Q、L2;其中，Q:的集电极作为变换器的第一端口，Q:的发射极连接Q 2的集电极，Q2的发射极接地；Q3的集电极作为变换器的第二端口，Q3的发射极连接Q4的集电极，04的发射极接地；05的集电极作为向变换器的第三端口，Q5的发射极连接Q6的集电极，Q6的发射极接地；电感的1^一端连接Q i的发射极，L i的另一端连接Q 3的发射极，电感的L 2—端连接Q3的发射极，L 2的另一端连接Q 5的发射极。
[0008]作为本发明的进一步改进，通过FPGA的移相功能模块给出带有移相角为360/暾的N组驱动信号。
[0009]作为本发明的进一步改进，在SA光照条件几乎一致的情况下，仅对一个功率模块的被控量采样，其余模块只需采样母线电流以实现均流；通过FPGA的移相功能模块给出带有移相角为度的Ν组驱动信号，分别控制Ν个主功率模块。
[0010]作为本发明的进一步改进，所述Ν个主功率模块中设置一个为主功率模块，其他Ν-l个位从功率模块，所述FPGA给出的驱动信号通过D/A转换电路后连接表决电路，表决电路的输出分别控制所述Ν个主功率模块；对一个主功率模块进行采样，所述采样信号进入对应的FPGA，从功率模块只采样电流值，所述Ν个FPGA互为备份。
[0011]作为本发明的进一步改进，所述Ν为3，所述表决电路为三取二表决电路。
[0012]作为本发明的进一步改进，所述表决电路的输出为一个开关控制信号，该控制信号通过均流算法或移相算法，分别得到Ν个功率模块的控制信号，并通过D/A输出到Ν个功率模块；所述Ν个模块的开关相位存在相等的移相角。
[0013]作为本发明的进一步改进，所述均流算法根据各模块母线电流与母线电流平均值，计算得到误差值，对该误差值进行数字ΡΙ或单独比例环节得到修正值e ,，该修正值作用于输出占空比。
[0014]作为本发明的进一步改进，所述被控量采样包括:SA电流采样ISA、SA电压采样
&、母线电流采样 Ibus、 母线电压采样 Ubus、 电池电流采样电池电压采样υβΑΤΟ
【附图说明】
[0015]图1是本发明的控制系统的三双向端口变换器拓扑示意图；
图2是多双向端口变换器拓扑示意图；
图3是基于FPGA的航天电源控制器控制架构示意图；
图4是二取二表决电路不意图；
图5是本发明的FPGA内部控制策略示意图；
图6 (a)是均流算法流程图；
图6 (b)是均流算法的输入输出示意图；
图7是本发明的基于三端口变换器的PCU控制系统框图。
【具体实施方式】
[0016]下面结合【附图说明】及【具体实施方式】对本发明进一步说明。
[0017]如附图3所示，基于FPGA的航天电源控制器控制架构主要由主功率部分、FPGA部分和数、模转换部分组成。其中，主功率部分有N个主功率变换模块；采用如图1所示的宽电压范围双向三端口变换器，实现SA (太阳能阵)、BUS (母线)和BAT (电池)间能量的调节和调度，N个主功率模块间通过并联进行功率扩展。FPGA部分包括N个FPGA模块，与N个主动率模块对应，FPGA作为该电源控制器的控制核心，通过控制算法和控制逻辑使变换器实现以下功能:
u输出功率大于输入功率时，输入SA端进行MPPT (最大功率点跟踪)，提高能量利用率，对于同等输出功率的电源控制，带有MPPT功能的电源控制器所需配备的SA的体积和重量减少，降低了发射成本；
u母线按照设定电压恒压输出，通过均流算法实现N个功率模块间母线电流的均流，且通过算法使FPGA输出的各模块间驱动有相同相位差，降低母线电压纹波。
[0018]U电池侧可实现恒流充电和涓流充电(恒压充电)，通过算法使FPGA输出的各模块间驱动有相同相位差，降低电池电流纹波，延长电池寿命。
[0019]作为优化设计，在SA光照条件几乎一致的情况下，可仅对一个功率模块的被控量采样，通过FPGA给出带有移相角为度的N组驱动信号，分别控制N个主功率模块，其余模块只需采样的母线电