本发明涉及卫星电源控制器技术领域，特别涉及一种数字pcu电源系统。
背景技术：
电源系统是卫星系统中电源管理的重要部分，高频、高效、低压化、标准化是开关电源目前主要的发展趋势。
在航天工业领域，电源系统的改进对提高航天器性能、延长其工作寿命起着至关重要的作用。随着航天器性能的优化、轨道运行的多样化和载荷的扩大化，对航天器电源系统的管理配置、故障检测与保护等技术都提出了更高的要求。电源系统不仅要满足不同等级的输出电压，而且要求输出电压在一定范围内可调，并具有复杂的保护和管理逻辑。
目前，在电源系统中所使用的功率器件价格较贵，其控制电路也比较复杂，另外电源负载一般都是大量的集成化程度很高的器件，而这些器件一般耐受电、热、冲击能力较差。
由于电源系统的保护应兼顾本身和负载的安全。因此，在现有技术中，通过在电源系统中增加了保护电路以实现上述目的，但是，此举势必会导致电源系统中的电子器件的增加，而增加的电子器件又会影响电源系统的可靠性。当前模拟电源控制器难以满足载荷的应用需求变化，导致电源系统庞大复杂或是需要较长的定制生产周期。
当今应用于航天电源系统领域的系统控制构架为“模拟控制+数字管理”的集成式构架，采用大量的分立式器件来进行参数设置，无法同时兼顾宽电压范围输入的转换，固化后无法对上述参数设置进行更改。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种数字pcu电源系统，其采用“主板+从板”的三域控制构架模式：主板和从板均为单独的工作单元，主从板分别有自己的fpga芯片，各司其职；从板受主板控制，从板向主板反馈工作状态数据，以达到主板对从板的全线控制。从而使得数字pcu电源系统能够配置输出可编程、动态响应好与控制精度高等特性、自主进行电源管理的智能化控制。
为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种数字pcu电源系统，包含：至少三个单独工作的fpga控制器，其中任意一个所述fpga控制器为主板fpga控制单元；其余两个所述fpga控制器中，任意一个所述fpga控制器作为从板分流fpga控制器，另一个所述fpga控制器作为从板充放电fpga控制器；所述主板fpga控制单元、从板分流fpga控制器和从板充放电fpga控制器分别通过各自设有的spi通信模块与内数据总线spi进行连接，使得所述主板fpga控制单元、从板分流fpga控制器和从板充放电fpga控制器之间直接进行数据交互。
优选地，所述主板fpga控制单元采集母线电压，并将该母线电压与预设母线电压比较输出mea信号；所述主板fpga控制单元采集蓄电池的电压电流，并将该蓄电池的电压电流与预设蓄电池的电压电流比较输出bea信号；所述从板分流fpga控制器接收所述mea信号，将其与预设的工作范围进行比较，判断所述电源系统所处的工作模式，并根据该工作模式决定是否进行分流操作。所述从板分流fpga控制器接收所述mea信号，将其与预设的工作范围进行比较，判断所述电源系统所处的工作模式，并根据该工作模式决定是否进行分流操作。
所述从板充放电fpga控制器接收所述mea和bea信号，将所述mea信号与预设的工作范围进行比较，判断所述电源系统所处的工作模式，并根据该工作模式以及所述bea信号决定对蓄电池进行充电或放电操作。
优选地，所述主板fpga控制单元包括：adc接口程序控制模块、mea控制器、bea控制器、系统时序控制模块、故障监测与处理保护模块和spi通信模块。
优选地，所述主板fpga控制单元设有外部通信接口，其与位于所述数字pcu电源系统外部的上位机连接，所述上位机用于通过外部通信接口对所述主板fpga控制单元配置与所述数字pcu电源系统相匹配的控制器参数。
优选地，所述从板充放电fpga控制器包括：bcr充电模块、bdr放电模块、系统时序控制模块和故障和状态监测模块；所述bcr充电模块和bdr放电模块分别通过pwm调制接口模块与用于驱动bcr充电模块和bdr放电模块进行工作的bcdr驱动器连接。
优选地，所述从板分流fpga控制器包括：系统时序控制模块、sr控制单元和sr四级限频分流控制模块，所述sr四级限频分流控制模块接地。
优选地，所述工作模式包括：充电域、放电域和分流域三域工作模式；所述充电域和放电域之间设有迟滞区，此时，所述从板分流fpga控制器和从板充放电fpga控制器工作状态保持不变。
优选地，所述sr四级限频分流控制模块包括四个分流器，所述sr四级限频分流控制模块用于限制各个所述分流器的开关频率和开关的开合。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
本发明设有的fpga为电源系统控制芯片，通过可编程的控制的方式实现数字pcu电源系统管理、多路控制环路算法和脉宽调制（pwm）多路驱动输出。
本发明还设有内数据spi总线，用于使得主板fpga控制单元、从板分流fpga控制器和从板充放电fpga控制器之间能够直接进行数据交互，从而实现数字pcu电源系统的一体化管理和控制。
主板fpga控制单元负责整个数字pcu电源系统的控制与调度，对整个数字pcu电源系统的母线电压采集、电池电压电流采集；负责mea和bea信号的产生与分配，数字pcu电源系统采用统一的mea和bea控制。从板分流（sr）fpga控制器和从板充放电（bcdr）fpga控制器分别实现充放电环路控制、分流环路控制，集成在各个分功能模块内，负责该功能模块的控制、检测与保护等工作。本发明的数字pcu电源系统可以分解为模块化功能控制单元，能够实现各功能模块的通用化设计。
本发明提出的数字pcu电源系统具有可靠性高，可移植性较好，对于不同功率等级的电源系统均能适应。
附图说明
图1为本发明一种数字pcu电源系统构架框图；
图2为本发明一种数字pcu电源系统三域控制模式原理图；
图3为本发明一种数字pcu电源系统的fpga控制单元的主要组成结构示意图；
图4为本发明一种数字pcu电源系统的从板充放电fpga控制器的主要组成结构示意图；
图5为本发明一种数字pcu电源系统的从板分流fpga控制器的主要组成结构示意图；
图6为本发明一种数字pcu电源系统通过spi内总线使得fpga控制单元、从板充放电fpga控制器和从板分流fpga控制器之间进行通讯的示意图。
具体实施方式
以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
如图1所示，本发明一种数字pcu电源系统，包含：至少三个fpga控制器，其中任意一个fpga控制器为主板fpga控制单元，其与上位机连接。其他两个fpga控制器中，一个作为从板分流fpga控制器，另一个作为从板充放电fpga控制器。所述主板fpga控制单元、从板分流fpga控制器和从板充放电fpga控制器之间通过内数据总线spi进行数据交互。
所述主板fpga控制单元负责整机的控制与调度，负责整个数字pcu电源系统的母线电压采集、电池电压电流采集，并根据上述母线电压和电池电压电流产生mea和bea信号并向所述从板分流fpga控制器和从板充放电fpga控制器输出。所述从板分流fpga控制器和从板充放电fpga控制器用于根据接收到所述mea和bea信号对数字pcu电源系统进行功率变换。
在本实施例中，通过太阳阵为所述从板分流fpga控制器和从板充放电fpga控制器供电，所述从板充放电fpga控制器还与蓄电池连接，所述从板充放电fpga控制器的输出为母线。
如图3所示，所述主板fpga控制单元进一步包含：adc模块或adc接口程序控制模块、mea控制器、bea控制器、用于控制所述主板fpga控制单元、从板分流fpga控制器和从板充放电fpga控制器同步工作的系统时序控制模块、故障监测与处理保护模块、spi通信模块和外部通信接口。
所述adc模块用于采集整个数字pcu电源系统的母线电压和蓄电池电压电流，所述mea控制器和bea控制器分别与所述adc模块连接，所述mea控制器根据采集的母线电压与预先设定的预定电压进行求差运算，并对该运算结果进行放大得到mea信号。所述bea控制器根据采集的蓄电池电流或电压与预先设定的预定电流或电压进行求差运算，并对该运算结果进行放大得到bea信号。所述mea控制器将上述mea信号分别向所述从板分流fpga控制器和从板充放电fpga控制器输出。所述bea控制器将上述bea信号向所述从板充放电fpga控制器输出。从而为从板充放电fpga控制器提供充放电的信号基准，为从板分流fpga控制器提供工作模式基准。所述主板fpga控制单元通过所述外部通信接口与所述上位机连接。
数字pcu电源系统突出的特点是控制参数可编程，电源系统功率级参数实现可编程输出是数字pcu电源系统的巨大优势，所述外部通信接口为控制器参数配置接口，用于外界通过上位机配置相应的控制器参数，极大化数字pcu电源系统的控制系统的可配置性和高适应性。
如图4所示，所述从板充放电fpga控制器用于实现数字pcu电源系统充放电的功能，其进一步包含：spi通信模块、带有pwm调制接口模块的bcr充电模块、带有pwm调制接口模块的bdr放电模块、系统时序控制模块和故障和状态监测模块。所述从板充放电fpga控制器接收到上述mea和bea信号后对该信号进行判断，并根据mea信号得到本系统当前所处的工作模式。然后所述bea信号用于根据所述电池系统所处的工作模式控制bcr充电模块或bdr放电模块对蓄电池进行充电或放电操作。
如图5所示，所述从板分流fpga控制器具有sr四级分流功能，其进一步包含：spi通信模块、系统时序控制模块、sr控制单元以及采用“bang-bang控制”的sr四级限频分流控制模块。所述sr四级限频分流控制模块接地。所述从板分流fpga控制器和从板充放电fpga控制器接收到上述mea信号后对该信号进行判断，并根据判断结果决定是否进行分流工作。
在本实施例中，如图2所示，本发明的三域控制构架模式包括：充电域、放电域和分流域三域工作模式。
所述mea信号处于29.3v~29.8v的母线电压范围时，所述电池系统工作模式为分流域；此时，所述从板分流fpga控制器的sr四级限频分流控制模块执行分流操作，所述sr四级限频分流控制模块控制四个分流器进行对地分流操作，当太阳阵发电能力最高时，其可以控制四个分流器全部开启对地分流，当不是最高时，根据当前的分流需求，可以控制四个分流器中的任意一个或两个或三个分流器进行对地分流工作。所述从板充放电fpga控制器根据mea信号得到所述电池系统工作模式为分流域，此时，所述从板充放电fpga控制器通过接收到的bea信号控制bcr充电模块对蓄电池进行充电操作。
所述mea信号处于29.2v~29.3v的母线电压范围时，所述电池系统工作模式为第二迟滞区2；此时，所述从板分流fpga控制器的sr四级限频分流控制模块继续执行分流操作，此时，太阳阵发电能力减小，根据当前的分流需求，可以控制四个分流器中的任意一个或两个或三个分流器进行对地分流工作。所述从板充放电fpga控制器根据mea信号得到所述电池系统工作模式为第二迟滞区2，此时，所述从板充放电fpga控制器通过接收到的bea信号继续控制bcr充电模块对蓄电池进行充电操作。
当所述mea信号为29.2v时，此时所述从板充放电fpga控制器通过接收到的bea信号控制bcr充电模块对蓄电池进行减小充电电流的操作。
所述mea信号处于28.9v~29.8v的母线电压范围时，所述电池系统工作模式为充电域。
所述mea信号处于28.8v~28.9v的母线电压范围时，所述电池系统工作模式为第一迟滞区1；此时，所述从板分流fpga控制器的sr四级限频分流控制模块继续执行分流操作，此时，太阳阵发电能力继续减小，根据当前的分流需求，可以控制四个分流器中的任意一个或两个或三个分流器进行对地分流工作。所述从板充放电fpga控制器根据mea信号得到所述电池系统工作模式为第一迟滞区1，此时，所述从板充放电fpga控制器通过接收到的bea信号继续控制bcr充电模块对蓄电池进行减小充电电流的操作。
所述mea信号处于28.2v~28.8v的母线电压范围时，所述电池系统工作模式为放电域。此时，所述从板分流fpga控制器的sr四级限频分流控制模块继续停止执行分流操作。所述从板充放电fpga控制器根据mea信号得到所述电池系统工作模式为放电域，此时，所述从板充放电fpga控制器通过接收到的bea信号继续控制bdr放电模块使得蓄电池进行放电操作。
综上所述，所述从板分流fpga控制器和从板充放电fpga控制器分别接收主板fpga控制单元提供的mea\bea信号以及电压电流信号，通过充电域、放电域和分流域三域工作模式判定后进入对应的工作模式工作。保证数字pcu电源系统总体正常工作运行。
所述主板fpga控制单元负责上述电源系统的控制与调度，对从板分流fpga控制器和从板充放电fpga控制器进行全线控制，实现对数字pcu电源系统的一体化控制与管理。从板分流fpga控制器和从板充放电fpga控制器分别根据主板发送的mea信号范围结合设定的工作范围进行工作判定，在三域内进行工作。为了防止由于mea信号的受干扰产生波动造成pcu在相邻工作域内不断地来回跳动，降低整个系统的稳定性与可靠性，我们在相邻两个域之间引入了迟滞区来减小干扰等其他不稳定因素对系统性能造成的影响。
在本实施例中，上述从板分流fpga控制器采用的是滞环开关控制方式，主要根据mea信号范围，通过对每路的控制设置上下限数字比较器，形成一个bang-bang控制形式，上限值和下限值分别对应功率分流开管的导通和截止，其开关频率随供电状态而变化。与脉宽调制电路相比，具有电子元器件少且电路简单的优点。
所述从板分流fpga控制器的sr四级限频分流控制模块用于限制开关频率以达到减弱上述效果增强系统的可靠性，解决由于采用滞环开关控制的方式时，如果不引入限频控制对其开关频率进行限制，当滞环环宽设置的不当或者mea信号波动频率和幅度较高时会造成分流开关频率过高，容易损坏电子功率开关器件而且系统热耗大的问题。
如图6所示，数字pcu电源系统采用“主板+从板”构架的架构模式，内数据总线是进行环路控制必不可少的部分，对数据传输的实时性要求比较高。内数据总线spi是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为pcb的布局上节省空间。内数据总线spi主要特点有：可以同时收发串行数据；时钟频率可编程；发送结束、中断标志；其传输速率可到达几十兆赫兹，可有效降低通讯延时，提高控制环路的响应速度。此外，在软件实现上，spi总线程序简单，容易实现，减少了工程人员的工作量和调试时间，具有较高的工程应用价值。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。