一种基于超级电容的双向逆变大力矩飞轮电源系统的制作方法

本发明涉及航天电源控制领域，具体涉及一种基于超级电容的双向逆变大力矩飞轮电源系统。

背景技术：

近年来，随着卫星对快速机动需求越来越迫切，对大力矩执行机构的需求也越来越强烈。对于大型卫星而言，可以采用控制力矩陀螺来实现敏捷机动，但在中小卫星姿控系统中，首选使用飞轮作为执行机构。目前国内外飞轮的输出力矩通常不超过0.5nm，这一情况主要受限于星上供电电压大小有限和功率分配重点不同。针对卫星敏捷机动时间短、电量要求高的特点，利用飞轮电机瞬间大过载能力下的转矩输出特性，通过大幅度提高电机驱动电流可以满足飞轮峰值大力矩输出需求，从而实现飞轮的大力矩化。因此，大功率供电成为大力矩飞轮解决方案之一。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于超级电容的双向逆变大力矩飞轮电源系统，应用于中小型卫星供电系统中，设置于星上电源与飞轮之间，为飞轮提供瞬时大功率，满足卫星快速机动的需求，同时当飞轮制动时，能回收能量，提高星上能量的利用率。

一种基于超级电容的双向逆变大力矩飞轮电源系统，设置于星上电源与飞轮之间，为飞轮提供瞬时大功率，飞轮反馈当前工作模式，包含：

超级电容模块；

单向dc/dc模块，输入端与所述星上电源连接，输出端与所述超级电容模块连接，向超级电容模块充电；

双向dc/dc模块，一端与所述超级电容模块双向连接，从超级电容模块获取能量或向超级电容模块充电；另一端与所述飞轮双向连接，向飞轮提供电源或从飞轮回收能量；

mcu控制模块，输入端分别与所述超级电容模块、单向dc/dc模块、双向dc/dc模块和飞轮连接，采集超级电容模块的电量信息、双向dc/dc模块的电压电流信息以及飞轮的工况信息；输出端连接所述单向dc/dc模块和双向dc/dc模块，控制单向dc/dc模块和双向dc/dc模块的工作状态。

上述的一种基于超级电容的双向逆变大力矩飞轮电源系统，其中，所述mcu控制模块检测超级电容模块中电量存储情况，当超级电容模块中电量高于70%时关闭单向dc/dc模块，当超级电容模块中电量低于50%时打开单向dc/dc模块。

上述的一种基于超级电容的双向逆变大力矩飞轮电源系统，其中，所述双向dc/dc模块与飞轮之间存在三种不同状态：

双向dc/dc模块从所述超级电容模块获取能量，向飞轮提供28v/5a的常规电源；

双向dc/dc模块从所述超级电容模块获取能量，向飞轮提供70v/40a的瞬时大功率电源；

双向dc/dc模块从飞轮回收能量，并存储到超级电容模块中。

上述的一种基于超级电容的双向逆变大力矩飞轮电源系统，其中，所述mcu控制模块根据飞轮反馈的工作模式信息，控制所述双向dc/dc模块分别工作于：

反作用飞轮模式，向飞轮提供28v/5a的常规电源；

大力矩模式，向飞轮提供70v/40a的瞬时大功率电源；

发电机模式，从飞轮回收能量，并存储到超级电容模块中。

上述的一种基于超级电容的双向逆变大力矩飞轮电源系统，其中，所述mcu控制模块包含：

cpld控制单元；

第一pwm驱动单元，输入端与cpld控制单元相连，输出端与所述单向dc/dc模块相连，根据所述cpld控制单元的控制调整单向dc/dc模块的工作状态；

第二pwm驱动单元，输入端与所述cpld控制单元相连，输出端与所述双向dc/dc模块相连，根据cpld控制单元的控制调整双向dc/dc模块的工作状态；

第一采样单元，输入端与所述超级电容模块相连；

第二采样单元，输入端与所述双向dc/dc模块相连；

dsp处理单元，输入端分别与所述第一采样单元、第二采样单元和飞轮相连，分别获取单向dc/dc模块、双向dc/dc模块和飞轮的工作信息；输出端与所述cpld控制单元相连，控制cpld控制单元工作。

上述的一种基于超级电容的双向逆变大力矩飞轮电源系统，其中，所述超级电容模块包含：

超级电容组，由多个超级电容串联而成，快速存储大量电量；

电压均衡单元，控制所述超级电容组中每个单体电容上的电压保持均衡。

上述的一种基于超级电容的双向逆变大力矩飞轮电源系统，其中，所述dsp处理单元根据飞轮给出的工作模式信息决定双向dc/dc模块工作状态。

上述的一种基于超级电容的双向逆变大力矩飞轮电源系统，其中，所述dsp处理单元根据第一采样单元给出的电量信息决定第一pwm驱动单元工作状态。

上述的一种基于超级电容的双向逆变大力矩飞轮电源系统，其中，所述dsp处理单元根据第二采样单元给出的电压电流信息决定第二pwm驱动单元工作状态。

本发明提出的一种基于超级电容的双向逆变大力矩飞轮电源系统，其优点和有益效果是：

本发明够满足飞轮大力矩输出时瞬时大功率供电需求，使飞轮能够实现短时间大力矩输出。

本发明在飞轮反向制动过程中，能够快速回收能量功能，抑制反向制动时泵升电压对星上电源母线输出端的干扰。

附图说明

图1是本发明的系统框图。

图2是本发明中mcu控制模块的框图。

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。

本发明利用超级电容存储电量能力强大、充电迅速和放电电流大的特点，以超级电容为设计核心，配合双向dc/dc模块3，实现平时提供常规电源28v/5a，卫星需要快速机动时提供大功率电源70v/40a，飞轮制动时快速回收电能的多项功能。可以有效的解决星上供电电压较低、功率较小的不足。

如图1所示，一种基于超级电容的双向逆变大力矩飞轮电源系统，设置于星上电源与飞轮之间，为飞轮提供瞬时大功率，满足卫星快速机动的需求，飞轮则反馈当前工作模式，包含超级电容模块1、单向dc/dc模块2、双向dc/dc模块3和mcu控制模块4。

超级电容模块1作为大功率电能的存储介质，可以实现快速的充放电。

单向dc/dc模块2，输入端与所述星上电源28v/5a连接，输出端与所述超级电容模块1连接，向超级电容模块1充电，令超级电容模块1储存大量电能。

双向dc/dc模块3，一端与所述超级电容模块1双向连接，从超级电容模块1获取能量或向超级电容模块1充电；另一端与所述飞轮双向连接，向飞轮提供电源或从飞轮回收能量。

mcu控制模块4，输入端分别与所述超级电容模块1、单向dc/dc模块2、双向dc/dc模块3和飞轮连接，采集超级电容模块1的电量信息、双向dc/dc模块3的电压电流信息以及飞轮的工况信息；输出端连接所述单向dc/dc模块2和双向dc/dc模块3，控制单向dc/dc模块2和双向dc/dc模块3的工作状态。

所述mcu控制模块4检测超级电容模块1中电量存储情况，当超级电容模块1中电量高于70%时关闭单向dc/dc模块2，停止向超级电容模块1充电，当超级电容模块1中电量低于50%时打开单向dc/dc模块2，恢复对超级电容模块1充电。

所述双向dc/dc模块3与飞轮之间存在三种不同状态：

a．双向dc/dc模块3从所述超级电容模块1获取能量，向飞轮提供28v/5a的常规电源；

b．双向dc/dc模块3从所述超级电容模块1获取能量，向飞轮提供70v/40a的瞬时（3s左右）大功率电源，使飞轮能够实现短时间大力矩输出；

c．在飞轮反向制动过程中，双向dc/dc模块3从飞轮快速回收能量，并存储到超级电容模块1中，抑制反向制动时泵升电压对星上电源母线输出端的干扰。

所述mcu控制模块4根据飞轮反馈的工作模式信息，控制所述双向dc/dc模块3分别工作于：

d．反作用飞轮模式，向飞轮提供28v/5a的常规电源；

e．大力矩模式，向飞轮提供70v/40a的瞬时大功率电源；

f．发电机模式，从飞轮回收能量，并存储到超级电容模块1中。

所述mcu控制模块4包含cpld控制单元41、第一pwm驱动单元42、第二pwm驱动单元43、第一采样单元44、第二采样单元45和dsp处理单元46。

cpld控制单元41通过状态机的机制生成相应的pwm分别用来驱动单向的dc/dc功率变换器（boost）和双向dc/dc功率变换器（buck/boost）。

第一pwm驱动单元42，输入端与cpld控制单元41相连，输出端与所述单向dc/dc模块2相连，根据所述cpld控制单元41的控制调整单向dc/dc模块2的工作状态；

第二pwm驱动单元43，输入端与所述cpld控制单元41相连，输出端与所述双向dc/dc模块3相连，根据cpld控制单元41的控制调整双向dc/dc模块3的工作状态；

第一采样单元44，输入端与所述超级电容模块1相连，对超级电容的电量、充放电电压和充放电电流进行采样；

第二采样单元45，输入端与所述双向dc/dc模块3相连，对双向dc/dc模块3输出到飞轮的电压和电流进行采样；

dsp处理单元46，输入端分别与所述第一采样单元44、第二采样单元45和飞轮相连，分别获取单向dc/dc模块2、双向dc/dc模块3和飞轮的工作模式信息；输出端与所述cpld控制单元41相连，控制cpld控制单元41工作。dsp处理单元46根据飞轮给出的工作模式信息决定双向dc/dc模块3的工作模式，并根据第一采样单元44和第二采样单元45采集的信息分别控制第一pwm驱动单元42和第二pwm驱动单元43，以电压检测为控制外环，电流检测为控制内环，监测并调节实际的输出电压和电流。

所述超级电容模块1包含超级电容组和电压均衡单元。

超级电容组，由多个超级电容串联而成，快速存储大量电量。但超级电容具有功率密度大、能量密度高、充电迅速、存储寿命长等突出的优点，但也存在单体耐压值较小、串联后个体间电压不均衡的问题。

电压均衡单元，采用电压均衡技术弥补超级电容的上述缺陷，控制所述超级电容组中每个单体电容上的电压保持均衡。

mcu控制模块4可以根据大力矩飞轮的工况设定双向dc/dc逆变电路的转换方向（输出电能或回收电能）。

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。