一种顺序开关分流调节器的故障诊断方法与流程

本发明涉及航天器电源控制器故障诊断领域，尤其涉及一种顺序开关分流调节器的故障诊断方法。

背景技术：

航天器电源控制器中广泛采用分流调节器来对太阳电池阵输出功率和母线电压进行调节。从能量传输的角度，航天器电源系统的拓扑结构可分为直接能量传递方式（det）和峰值功率跟踪方式。分流调节器通常应用于如图1所示的det拓扑。

现有技术的顺序开关分流调节原理框图如图2所示，分流调节器把太阳阵分成n个相同的子阵，每个子阵的正端通过开关管t接地，通过二级管d连接到母线vbus。根据开关管的不同状态每级分流调节电路有三种工作状态：分流、供电、调节。当分流调节电路处于分流状态时，开关管t闭合，太阳电池子阵输出对地分流；当分流调节器处于供电状态时，开关管t断开，太阳电池子阵输出全部供给母线；当分流调节器处于调节状态时，开关管t按照控制逻辑时而闭合，时而断开，太阳电池子阵时而对地分流，时而对母线供电。所有分流电路均受控于同一母线误差放大信号（mea），通过控制与驱动电路对开关管t进行控制。

航天器电源控制器在设计时，通常不考虑分流调节器的故障诊断，目前通过mea电压来对分流调节电路的故障进行故障诊断，但无法对故障进行准确的检测和定位。这是由于分流调节电路有多路，在一定程度上形成了相互冗余备份。当其中一路分流调节电路发生故障后，若条件允许，相邻的分流调节电路会代替故障电路进行工作，导致通过mea电压不能对发生故障的分流调节电路进行准确定位。

技术实现要素：

针对以上技术问题，本发明公开了一种顺序开关分流调节器的故障诊断方法，解决目前故障诊断方法无法对分流调节器故障进行准确检测和定位的问题，缩短故障检测和定位时间，提高故障检测和定位准确性。

对此，本发明的技术方案为：

一种顺序开关分流调节器的故障诊断方法，其包括以下步骤：

步骤s1，对顺序开关分流调节器无故障情况下的工作状态进行分析；

步骤s2，根据步骤s1的内容，分析得出顺序开关分流调节器的故障模式；

步骤s3，选取检测点为每一路分流调节电路对应的太阳电池子阵电压，并选取采样频率；

步骤s4，选取采样数据时间长度，并覆盖太阳电池子阵电压完整切换周期；

步骤s5，对每一级分流调节电路对应的太阳电池子阵电压进行采样；

步骤s6，寻找调整级；

其中在采样数据长度内，对所有太阳电池子阵电压进行检测，若太阳电池子阵电压同时存在为0和为母线电压的情况，则对应的分流调节电路为调整级；

步骤s7，根据寻找到的调整级，对比步骤s2的故障模式，进行故障诊断；

步骤s8，返回步骤s5继续下一轮采样和诊断。

采用此技术方案，只需在每路分流调节电路中增加检测量太阳电池子阵电压，便可对分流调节器故障进行准确检测和定位。该方法不影响分流调节器正常工作，能对哪一路分流调节器发生的单故障或多故障进行准确定位，可为在轨故障诊断或地面通过遥测数据进行故障诊断提供帮助。

作为本发明的进一步改进，步骤s6中，寻找调整级的方法为：选取阈值电压，当太阳电池子阵电压在整个采样时间内同时出现大于阈值电压和小于阈值电压的情况则视为找到调整级。

作为本发明的进一步改进，所述阈值电压为母线电压的一半。

作为本发明的进一步改进，步骤s7，故障诊断包括：

若寻找到1个调整级，设为第k级，其中k为大于等于1的整数，若第1级至第k-1级分流调节电路对应的太阳电池子阵电压若大于或等于阈值电压，则发生常供电故障；第k+1级至第12级分流调节电路对应太阳电池子阵电压若小于或等于阈值电压，则发生常分流故障。

作为本发明的进一步改进，步骤s7，故障诊断包括：

若寻找到2个调整级，设2个调整级为k1和k2，k1、k2及其之间的分流电路为调整带，第1级至第k1-1级分流调节电路对应的太阳电池子阵电压若大于或等于阈值电压，则发生常供电故障；第k2+1级至第12级分流调节电路对应的太阳电池子阵电压若小于或等于阈值电压，则发生常分流故障。

若2个调整级相连，则无中间级；

若2个调整级不相连，则2个调整级中间有1级或多级中间级，若中间级对应的太阳电池子阵电压小于阈值电压，则中间级发生常分流故障；若中间级对应的太阳电池子阵电压大于阈值电压，则中间级发生常供电故障。

作为本发明的进一步改进，采样频率至少为太阳电池子阵电压最高频率的2倍。

作为本发明的进一步改进，采样频率至少为10khz。

作为本发明的进一步改进，采样数据时间长度为10ms。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

第一，采用本发明的技术方案，只需在每路分流调节电路中增加检测量太阳电池子阵电压，便可对分流调节器故障进行准确检测和定位，方法简单；通过把较高频率的太阳电池子阵电压作为检测量，可检测到占空比很小或很大时的调整级，从而可达到很高的故障检测率，故障漏检率低，故障检测率高。

第二，采用本发明的技术方案，可实现故障准确定位，能对哪一路分流调节器发生的单故障或多故障进行准确定位，为在轨故障诊断或地面通过遥测数据进行故障诊断提供帮助。

第三，采用本发明的技术方案，诊断速度快，诊断所需时间在ms级别，为后续故障处理赢得了宝贵时间。

第四，增加的检测量少。每一级分流电路仅增加一个检测量——太阳电池子阵电压。增加的该检测量同时可用来计算每一级分流电路的效率；而且不影响分流调节器的正常工作，增加的检测量对原分流电路基本无影响，同时故障诊断时不影响分流调节器正常工作。

附图说明

图1是现有技术的顺序开关分流调节器的直接能量传递方式（det）拓扑示意图。

图2是现有技术的顺序开关分流调节原理框图；

图3是本发明实施例针对的具有n级分流调节电路的顺序开关分流调节器的原理框图。

图4是本发明的顺序开关分流调节器（s3r）故障诊断方法的流程图。

图5是本发明实施例的某次故障注入试验调整级对应的太阳子阵8电压在0和母线电压附近切换波形图。

图6是本发明实施例的某次故障注入试验故障分流级对应的太阳电池子阵6电压波形图。

图7是本发明实施例的无故障时该工况太阳电池子阵6电压波形图。

具体实施方式

下面参照图并结合实施例对本发明作进一步详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为本发明的限定。

以下对顺序开关分流调节器故障诊断方法作详细描述，本实施例的顺序开关分流调节器的结构如图3所示。

设某卫星电源采用顺序开关分流调节器来调节太阳电池阵输出功率和母线电压，共有12级分流调节电路，其中第1级分流调节电路优先分流，然后依次是第2级、第3级、…、第12级，采用全调节母线拓扑，其母线电压恒定vbus=100v。

采用本发明的方法对该顺序开关分流调节器进行故障诊断，流程图如图4所示，包括以下步骤：

步骤s1，对顺序开关分流调节器（s3r）无故障情况下的工作状态进行分析。

顺序开关分流调节器正常工作时，通常只有一级分流电路处于开关调节状态，其它级数分流调节电路要么处于分流状态，要么处于供电状态。但发生双段效应时，会有相邻的两级分流调节电路处于开关调节状态，其它级数分流电路或处于分流状态或处于供电状态。通过对顺序开关分流调节器工作原理分析可知，至多有两级分流调节电路处于开关调节状态。

步骤s2，故障模式分析。

通过分析，顺序开关分流调节器的故障模式包括常分流故障和常供电故障。当分流调节器发生单故障时，有一路分流电路发生故障，可能发生常分流故障或常供电故障。当分流调节器发生多故障时，有两路或多路分流调节电路发生故障，可能有两路或多路分流调节电路同时常分流故障、同时常供电故障、或部分分流电路常分流故障部分分流电路常供电故障。另外故障发生时，即使考虑到双段效应，同样至多有两级分流调节电路处于开关调节状态，只是故障时这两级分流调节电路可能被故障电路隔开而不再相邻。

步骤s3，选取检测点为每一路分流调节电路对应的太阳电池子阵电压，太阳电池子阵电压最高切换频率为5khz，选取采样频率为20khz。

步骤s4，选取采样数据长度为10ms，可保证分流调节电路开关切换频率较低时覆盖完整周期。

步骤s5，对每一级分流调节电路对应的太阳电池子阵电压进行采样。

步骤s6，寻找调整级（处于开关状态的分流级）。

寻找调整级的方法为：在采样数据长度内对所有太阳电池子阵电压进行检测，若太阳电池子阵电压同时存在为0和为母线电压（100v）的情况，则对应的分流调节电路为调整级。选取阈值电压为母线电压的一半即50v，当太阳电池子阵电压在整个采样时间内同时出现大于阈值电压（50v）和小于阈值电压（50v）的情况则视为找到调整级。

步骤s7，根据找到的调整级进行故障诊断：

（1）若寻找到1个调整级，设为第k级（k为大于等于1的整数），则第1级至第k-1级分流调节电路都应处于分流状态（对应太阳电池子阵电压应小于阈值电压），否则发生常供电故障；第k+1级至第12级分流调节电路都应处于供电状态（对应太阳电池子阵电压应大于阈值电压），否则发生常分流故障。

（2）若寻找到2个调整级（此时分流电路发生双段效应），设2个调整级为k1，k2（k1,k2为大于等于1的整数，且k2>k1），则k1，k2及其之间的分流电路视为调整带，则第1级至第k1-1级分流调节电路都应处于分流状态（对应太阳电池子阵电压应小于阈值电压），否则发生常供电故障；第k2+1级至第12级分流调节电路应处于供电状态（对应太阳电池子阵电压应大于阈值电压），否则发生常分流故障。

①若2个调整级相连，则无中间级；

②若2个调整级不相连，则2个调整级中间有1级或多级中间级，若中间级对应太阳电池子阵电压小于阈值电压，则中间级发生常分流故障；若中间级对应太阳电池子阵电压大于阈值电压，则中间级发生常供电故障。

步骤s5，返回步骤s5继续下一轮采样和诊断。

经试验，在不同的分流级随机注入故障，本发明所述的方法均能正确检测出相应的故障模式，并能把故障定位到具体的分流级，所用的平均检测时间为20ms，故障检测率100%，故障隔离率100%，故障虚警率0%。

在试验中，某次故障注入试验在第6级分流调节电路注入常供电故障。该工况无故障时第1-6级分流调节电路分流，第8-12分流调节电路供电，第7级分流电路为调整级；在第6级分流电路注入常供电故障后，第6级分流电路常供电，第7级分流电路代替第6级分流电路进行分流，调整级为第8级。根据本发明所述的方法，试验时发现调整级为第8级，如图5所示，太阳子阵8电压在0和母线电压附近切换，则第1级至第7级分流电路应分流，对应太阳电池子阵电压应在0附近；第9级至第12级分流电路应供电，对应太阳电池子阵电压应在母线电压附近。试验时发现太阳电池子阵6电压在母线电压附近，如图6所示，因此第6级分流电路发生常供电故障。无故障时该工况第6级分流电路处于分流状态，太阳电池子阵6电压在0附近，如图7所示。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。