一种双通路平台供电自主切换电路的制作方法

本发明涉及一种双通路平台供电自主切换电路，属于航天器供电技术领域。

背景技术：

航天器电源系统的供电体制主要有单母线供电和多母线供电两种体制，相对于单母线供电体制，多母线供电体制下各条一次母线输出相互独立，能够有效避免脉冲负载对稳定负载带来的干扰。以双母线供电体制为例，电源系统可提供两条独立母线输出，其中第一条母线供给卫星平台负载设备，第二条母线供给高功率脉冲载荷设备，可保证平台负载设备工作的稳定性，同时兼顾载荷设备的供电需求。

多母线供电体制目前广泛应用于微波遥感和军事侦察领域。根据航天器在轨长寿命高可靠性的需求，电源系统必须具备一定的自主故障诊断能力。考虑到运行在低地球轨道(LEO)、中地球轨道(MEO)的航天器存在较长时间的不可见测控弧段，一旦未能及时处理平台电源故障，将给卫星安全带来严重影响甚至导致卫星任务失败，这就要求电源系统能够在第一时间降低平台电源故障影响，通过备份供电通路维持平台能源供给，为地面故障定位和补救工作争取时间。

通过文献调研可知，国内外对多母线供电体制下的双通路平台自主供电方法研究甚少，国内还未在这方面开展过深入研究。目前LEO轨道多母线供电体制卫星的平台母线均采用太阳翼+蓄电池的单一通路供电方式，无备份通路和通路切换设计。专利“一种航天器两器能源共用方法”提出了一种航天器间能源使用方法，该方法是针对深空探测或空间站领域两个飞行器对接状态。上述方法存在以下局限性：1.仅适用于深空探测或空间站领域两个航天器间联合供电情况，用途在于解决两器对接后单个航天器能源供给问题，不适用于航天器内部多母线独立供电情况；2.仅有联合供电工作模式，依靠地面指令进行控制，不具备单通路供电模式，也不具备故障诊断和通路自主切换功能。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种可靠性高的双通路平台供电自主切换电路，解决了长寿命卫星在轨期间平台电源故障情况下平台供电主备通路自主切换问题。

本发明的技术解决方案是：

一种双通路平台供电自主切换电路，包括：信号采集功能电路、信号比较功能电路、信号筛选功能电路、使能控制功能电路以及信号配置功能电路；

信号采集功能电路对平台蓄电池组电压进行采集和放大，并将生成的采集信号送入信号比较功能电路中，信号比较功能电路将采集信号与设定的切换阈值进行比较并输出比较结果，信号筛选功能电路对三路并行比较功能电路输出的比较结果进行有效识别并输出识别结果；使能控制功能电路对识别结果信号进行约束，实现卫星平台供电保护自主模式或者手动模式切换，并生成控制信号；信号配置功能电路对控制信号进行分配和分时传输，输出控制信号至负载端直流-直流变换器用于启动备份供电通路。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明这种可用于航天器多母线供电体制的双通路平台母线自主切换电路，实现了在轨任务期间正常工作情况下平台主通路供电和故障情况下主备双通路供电自主切换功能，提升了长寿命多母线体制航天器的平台供电可靠性；采用了控制信号分时传输，可实现两条供电母线间串联直流-直流变换器的依次开机，降低启动过程对所在母线的冲击影响。

(2)本发明的控制方式灵活，设置了自主功能使能开关，可实现星上自主切换模式和地面手动切换模式的选择。

(3)本发明的可靠性高，每组平台蓄电池组配置三路并行的信号采集功能电路和信号比较功能电路，可提高信号采集和比较的可靠性，避免单个电路故障引入误码带来的误动作。

附图说明

图1为本发明双通路平台供电自主切换电路组成框图。

图2为本发明信号采集功能电路原理图。

图3为本发明信号比较功能电路原理图。

图4为本发明信号筛选功能电路原理图。

图5为本发明使能控制功能电路原理图。

图6为本发明信号配置功能电路原理图。

具体实施方式

本发明双通路平台供电自主切换电路的主要功能是对双供电通路平台母线进行故障诊断和供电通路自主切换，可及时发现平台供电主通路故障，实现在轨期间平台主通路故障情况下的主备通路切换，保证平台母线供电的可靠性。

如图1所示，为双通路平台供电自主切换电路的组成框图，主要包括信号采集功能电路、信号比较功能电路、信号筛选功能电路、使能控制功能电路以及信号配置功能电路；其中信号采集功能电路和信号比较功能电路均为并行三路配置。

信号采集功能电路对平台蓄电池组电压进行采集和放大。信号比较功能电路将采集信号与设定的切换阈值进行比较，当被采集的平台蓄电池组电压信号低于切换阈值时，比较电路输出表征平台供电主通路故障的高电平控制信号。每组平台蓄电池配置三路并行信号采集功能电路和对应的三路信号比较功能电路，以提高信号采集和比较的可靠性。

信号筛选功能电路对三路信号比较功能电路的输出信号进行有效性识别并输出筛选信号。信号筛选功能电路采取“三取二”的表决方式进行信号筛选，可避免单路信号采集功能电路或信号比较功能电路故障引入的错误信号进入后端电路，从而保证信号筛选功能电路输出信号的正确性。

使能控制功能电路对信号配置功能电路进行约束，用于提供平台供电保护自主模式和地面手动模式两种选择；使能控制功能电路处于禁止状态时，平台供电处于手动切换模式，信号配置功能电路无输出，负载端直流-直流变换器的开启只能通过地面遥控指令实现；使能控制功能电路处于使能状态时，平台供电处于自动切换模式，一旦平台供电主通路故障，信号配置功能电路输出控制信号，可开启负载端直流-直流变换器。使能控制功能电路的使能状态或禁止状态可以通过地面遥控指令执行，

信号配置功能电路对使能控制功能电路输出的控制信号进行分配和分时传输，通过信号配置电路对负载端多个直流-直流变换器的启动顺序进行设置，可避免多个负载端直流-直流变换器同时启动，降低负载端直流-直流变换器启动时对所在母线的冲击影响。

如图2所示，信号采集功能电路的数量为被采集的卫星平台蓄电池组数量的三倍，每个信号采集功能电路包括运算放大器U4、电阻R3；运算放大器U4正输入端通过电阻R3与被采集卫星平台蓄电池组正端相连，U4负输入端与其自身输出端相连，U4输出端发送的信号Signal_1即为信号采集功能电路的输出信号；电阻R3起限流作用。

如图3所示，信号比较功能电路与信号采集功能电路数量一致，每个信号比较功能电路包括运算放大器U5、电阻R6、R8；运算放大器U5负输入端通过电阻R8接收信号采集功能电路的输出信号，同时，运算放大器U5负输入端还通过电阻R6与其自身的输出端相连，U5输出端发送信号Signal_2即为信号比较功能电路的输出信号；三路并行信号采集功能电路的输出信号，在输出信号后加字母后缀进行区别，分别为Signal_2a、Signal_2b、Signal_2c；电阻R8起限流作用，电阻R6起负反馈作用。

如图4所示，信号筛选功能电路与被采集卫星平台蓄电池组数量一致，每个信号筛选功能电路包括隔离二极管D9～D17；通过隔离二极管D9、D10、D12、D13、D15和D16将三路信号比较功能电路的输出信号两两相连成三个连接点，然后三个连接点分别通过独立隔离二极管D11、D14和D17输出后连接在一起并输出信号Signal_3作为信号筛选功能电路的输出信号；隔离二极管D9～D17起到电压信号隔离作用。

如图5所示，使能控制功能电路包括磁保持继电器J19、电阻R18、电源VCC3；磁保持继电器J19公共端与信号Signal_3相连，动作端输出信号Signal_4作为使能控制功能电路的输出信号，J19第一组线包正端和第二组线包正端相连后通过电阻R18与电源VCC3相连，第一组线包负端和第二组线包负端分别接收指令信号；电阻R18起限流作用。

如图6所示，信号配置功能电路包括三极管Q26、Q27、电阻R28～R30、电容C24、C25、电源VCC4；三极管Q26基极和三极管Q27基极相连后通过电阻R28与使能控制功能电路的输出信号相连，Q26集电极和Q27集电极相连后与电源VCC4相连，Q26发射极通过电阻R29接地，调节电容C24与电阻R29并联，Q27发射极通过保护电阻R30接地，电阻R30和调节电容C25并联；Q26发射极发送信号Signal_6a，Q27发射极发送信号Signal_6b，Signal_6a和Signal_6a即为信号配置功能电路的输出信号；电阻R28～R30起限流作用，电容C24、C25起电压钳位作用。

实施例：

如图2所示，信号采集功能电路中，电压采集所用芯片以LM158为例，封装形式为DIP-8，单片集成2路运算放大电路(以下简称“运放”)。3脚为正输入端，2脚为负输入端，1脚为输出端。理想的集成运放正常工作时，2脚和3脚电压相等，称之为“虚短”；灌入芯片内部的电流为零，称之为“虚断”。以U4为例，根据“虚短”则2脚电压等于3脚电压，因为1脚与2脚相连后电压相等，所以1脚电压等于3脚电压，实现了信号采集和放大功能。单个平台蓄电池组配置三路信号采集功能电路以提高采集的可靠性。U4为电压采集芯片，电阻R2、R3起限流作用，其中R2阻值取1kΩ，R3阻值取100Ω，BAT1为单个平台蓄电池组，VCC1为+12V电源。

如图3所示，信号比较功能电路中，电压比较所用芯片以LM108为例，封装形式为DIP-8，单片集成2路比较电路，正输入端3脚，负输入端2脚，输出端1脚。如果3脚电压高于2脚电压(即设定的通路切换阈值Vref高于输入的采集信号Signal_1时)，则比较器输出高电平，反之则输出低电平。U5为电压比较器，电阻R6～R8起限流作用，其中R6阻值取5.1kΩ，R7阻值取1kΩ，R8阻值取100Ω，VCC2为+12V电源。

对于单组平台蓄电池，若采用三路独立的信号采集和信号比较功能电路，需要通过信号筛选功能电路将上述电路产生的三个控制信号进行“三取二”有效性判别并输出结果，以保证控制信号的可靠性。

如图4所示，信号筛选功能电路中，D9～D17为隔离二极管，起电压信号隔离作用；信号筛选功能电路对三路独立的信号采集和信号比较功能电路产生的三个控制信号进行“三取二”有效性判别并输出结果，以提高控制信号的可靠性。信号筛选功能电路利用二极管的钳位作用，将输入的三路信号进行两两交叉分组，输出每组中的低电平信号，然后对三组输出信号进行比较，输出其中的高电平信号。不妨假设Signal_2a为低电平信号，Signal_2b为高电平信号，Signal_2c为高电平信号，则A点为Signal_2a和Signal_2c信号汇集处，Signal_2c受到Signal_2a电压钳位，因此A点为低电平，同理，B点为高电平，C点为低电平。将A点、B点、C点信号分别通过二极管汇总，由于低电平信号受到钳制，所以D点输出信号Signal_3为高电平信号，该平台蓄电池组三路控制信号的筛选工作完成。

如图5所示，信号组合功能电路中，J19开关采用磁保持继电器，初始状态，继电器J19接通。对于J19所示磁保持继电器，1脚和2脚是一组线包(线包a)，9脚和10脚则是另外一组线包(线包b)。3、4、5脚和6、7、8脚分别组成两组触点开关，触点开关接通和断开动作分别由两组线包控制。为防止触点误动作，采用两组触点开关串联。其中3脚和6脚是公共触点，磁保持继电器正常工作时，3脚触点只能和同组开关的4脚和5脚触点中的一个相连，6脚触点同理，只能与7脚和8脚触点中的一个相连。线包a加电时，3脚触点和4脚触点相连，6脚触点和7脚触点相连；线包b加电时，3脚触点和5脚触点相连，6脚触点和8脚触点相连；若线包a和线包b同时加电，则线包a起作用。不妨假设磁保持继电器J19接收到自主功能断开遥控指令(J19_off)，则有电源作用于线包b的9脚和10脚，当脉冲电流由9脚进入从10脚流出时，触点开关动作，3脚触点和5脚触点相连，6脚触点和8脚触点相连，此时控制信号传输通路切断，自主切换电路进入功能禁止状态。若假设磁保持继电器J19接收到自主切换使能的遥控指令(J19_on)，则有电源作用于线包a的1脚和2脚，当脉冲电流由1脚进入从2脚流出时，触点开关动作，3脚触点和4脚触点相连，6脚触点和7脚触点相连，控制信号传输通路接通，自主切换电路进入使能状态。D20～D23为继电器线包消反电动势二极管，电阻R18起限流作用，阻值取100Ω，VCC3为+28V电源。

如图6所示，信号配置功能电路中，Q26、Q27为三极管，当高电平的控制信号输入，Q26和Q27均接通，处于放大饱和区，Q26和Q27基极电压升高，Q26和Q27发射极输出高电平；以Q26为例，Q26发射极通过限流电阻R29与地相连，电容C24并联在R29两端，R29端电压被电容C24钳位，即Q26发射极输出电压被C24钳位；Q26接通后开始为C24充电，待C24充电完成后发射极电压建立；Q27同理，由于C24、C25设计参数差异带来充电时间不一致，因此Q27输出电压建立与Q26输出电压建立不同步，可以起到信号分时传输效果。R28～R30起限流电阻，阻值取1kΩ，电容C24、C25起电压钳位作用，容值分别取0.01uF、0.047uF，VCC4为+28V电源。

对于双通路平台供电自主切换电路，若平台蓄电池组电压正常，说明平台供电主通路工作正常，平台蓄电池对应的三路并行信号采集功能电路和三路并行信号比较功能电路均输出低电平，则信号筛选功能电路输出低电平，使能控制功能电路输出低电平，信号配置功能电路输出低电平，负载端直流-直流变换器不启动，只有通过地面发送遥控指令，方可启动负载端直流-直流变换器，表明平台供电处于手动切换模式。

若某个平台蓄电池组电压低于切换阈值，说明平台供电主通路故障，则该平台蓄电池组对应的三路信号比较功能电路和信号筛选功能电路均输出高电平，则信号组合功能电路输出高电平，若使能控制功能电路处于禁止状态，使能控制功能电路输出低电平，信号配置功能电路输出低电平，负载端直流-直流变换器不启动；若使能控制功能电路处于使能状态，使能控制功能电路输出高电平，信号配置功能电路分时输出高电平，负载端直流-直流变换器分时启动，实现平台备份供电通路自主切换的功能，表明平台供电处于自主切换模式。

工作原理：

本发明电路包括信号采集功能电路、信号比较功能电路、信号筛选功能电路、使能控制功能电路、信号配置功能电路。信号采集功能电路数量为被采集平台蓄电池组数量的三倍，用于采集平台蓄电池组电压信号；信号比较功能电路与信号采集功能电路数量一致，用于判断平台蓄电池组电压信号是否低于设定值并输出比较结果；信号筛选功能电路对三路信号比较功能电路输出的控制进行三取二有效性判定并输出结果，以提高控制信号的可靠性；使能控制功能电路对信号配置功能电路进行约束，使能控制功能电路处于使能状态时，平台供电处于自主切换模式，使能控制功能电路可将信号筛选功能电路产生的高电平传输至信号配置功能电路；使能控制功能电路处于禁止状态时，平台供电处于手动切换模式，信号配置功能电路的输入信号始终为低电平；信号配置功能电路对输入信号进行分配和分时传输，用于保证负载端直流-直流变换器的分时启动。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。