一种基于fpga的小卫星mppt控制系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及航天探测器电源系统技术领域，更具体地说，涉及一种采用FPGA实现最大功率跟踪技术的智能化太阳能充电系统。
【背景技术】
[0002]在深空探测领域，对于小卫星电源系统而言，质量与功率是其设计的两个重要的约束条件，高的功率质量比是卫星电源系统设计的主要目标之一。目前，国内外绝大多数航天器的电源系统仍然采用太阳电池阵一蓄电池组电源系统。由于太阳电池的输出特性具有较强的非线性特征，其输出功率与光强、环境温度、粒子辐照等条件有关。因此为了维持航天器的正常、持续、高效工作，就必须保持太阳能持续高效转化为电能。若在光伏发电过程中对光伏电池的输出功率进行最大功率点跟踪，则能大大提高光伏发电的效率。最大功率点跟踪的主要任务就是:当光伏电池的输出特性因外界环境条件的变化而发生改变并导致系统的工作点偏离最大功率点时，通过控制光伏电池的输出电压使系统的工作点重新回到最大功率点上，从而使光伏电池保持实时输出最大功率，达到最大限度地利用光伏电池转换出的电能的目的。由于MPPT技术能够最大限度的将太阳能电池阵输出的功率转换为蓄电池的电能，因此受到了国内外广泛的关注，尤其是随着深空探测实践和大功率航天器的发展，国外率先在深空探测领域开展了 MPPT相关技术的研宄，并已成功地应用于多个探测器。目前，国外部分探测器电源系统如“罗塞塔”(Rosetta)、“信使”(MESSENGER)等都采用MPPT技术以维持整个探测器的供电，使电源系统工作在功率调节区域、充电调节区域和放电调节区域，但不足之处在于每个区域之间都设有死区，一旦电源系统工作状态进入死区，MPPT技术将失效。而国内深空探测领域，MPPT技术研宄起步较晚，大多都停止在理论研宄阶段，在航天探测领域鲜有报道。
[0003]目前，国内现有的微小卫星电源系统很少有采用MPPT技术，因此存在充电效率低下，电池电量损失迅速且不易恢复等缺点。具体来看，如浙江大学的ZDPS-1A号皮卫星电源系统没有控制模块，因此也未实现最大功率跟踪技术，这样使得其自身充电效率较低。而清华大学的“清华一号”小卫星电源系统虽采用了单片机进行控制，但由于空间辐射等因素，其稳定性能不如FPGA。
【发明内容】
[0004]为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于FPGA的微小卫星MPPT控制系统，不仅能够维持电源系统的高效率充电，而且能够抗空间粒子辐射效应，性能稳定。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括开关电源电路、电流取样电路、电压取样电路、A/D采样电路、FPGA、功率管驱动电路和锂电池。
[0006]所述的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。
[0007]所述开关电源电路为Boost升压DC/DC变换器，通过调节由FPGA输出的PWM波信号的占空比，来改变开关电源电路中功率管MOSFET的导通时间和关断时间，从而使光伏太阳能电池阵的输出电压维持在工作在最大功率点电压处，以最大功率对锂电池进行充电。
[0008]所述FPGA接收到AD采样器采样的电压和电流信号，通过乘法器计算出输出功率，将计算得到的功率与寄存器中预先存储的功率值进行比较，生成基准电压信号，同时，将比较后大的功率值存储在寄存器中，用以进行下次比较；基准电压信号送入到PWM波产生模块，和其内部的三角波信号进行比较，从而产生PWM波信号。
[0009]所述电流取样电路采用ACS712电流传感器，电压取样电路采用两级AD8065运算放大器，Α/D采样电路采用TI公司的串行ADSl115采样芯片，FPGA采用Actel公司抗辐射芯片AGL125，功率管驱动电路采用互补推免结构的晶体管放大电路。
[0010]本发明的有益效果是:所述的开关电源电路主要完成锂电池充电功能，电流、电压取样电路主要实现光伏电池阵输出电流、电压信号的调理滤波功能；A/D采样电路主要完成对经过调理滤波后的电流、电压信号进行模数转换，并送进FPGA中，由FPGA实现功率跟踪控制，并输出PWM波信号以驱动开关电源电路功率管的正常工作，保证光伏阵列以最大功率对锂电池进行充电，维持小卫星电源系统持续高效的充电，实现电池电量的长期存储。
【附图说明】
[0011]图1为本发明的系统原理组成框图；
[0012]图2为本发明的开关电源电路原理图；
[0013]图3为本发明的电流取样电路原理图；
[0014]图4为本发明的电压取样滤波电路原理图；
[0015]图5为本发明的Α/D采样电路原理图；
[0016]图6为本发明的功率管驱动电路原理图；
[0017]图7为本发明的FPGA设计原理框图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
[0019]本发明设计一种新型小卫星MPPT控制系统。该系统主要采用FPGA作为整个MPPT控制器的控制核心模块，实现对太阳能电池阵的输出电压以及电流连续监测，并进行实时的调整充电电流，以保证电源系统始终维持最大效率充电，克服了现有小卫星电源系统充电效率不高的难题。
[0020]本发明的技术方案是:一种基于FPGA的小卫星MPPT控制系统，该系统主要由开关电源电路、电流取样电路、电压取样电路、Α/D采样电路、FPGA、功率管驱动电路以及锂电池组成。其中开关电源电路的输入与太阳能电池阵相连，输出与锂电池连接；电流取样电路、电压取样电路的输入均与Boost升压电路连接，输出均与Α/D采样电路输入连接；A/D采样电路输出与FPGA连接；功率管驱动电路输入与FPGA连接，输出与开关电源电路连接。
[0021 ] 本发明的进一步技术方案是:上述开关电源电路为Boost升压DC/DC变换器，通过调节由FPGA输出的PWM波信号的占空比，来改变该Boost电路中功率管MOSFET的导通时间和关断时间，从而使光伏太阳能电池阵输出电压维持在工作在最大功率点电压处，以最大功率对锂电池进行充电。
[0022]本发明的进一步技术方案是:上述电流取样电路采用的是ACS712电流传感器实现将太阳能电池阵输出电流信号转换成电压信号。其中ACS712电流传感器的输入信号来自太阳能电池阵的输出电流端口，该电流传感器具有66mV/A?185mV/A的输出灵敏度，其输出电压与输入电流成正比。
[0023]本发明的进一步技术方案是:上述电压取样电路采用两级AD8065运算放大器对太阳能输出电压信号进行调理滤波，以保证Α/D采样器对输入信号的要求。其中前一级AD8065运放组成差分放大电路实现信号调理功能，后一级AD8065运放组成有源低通滤波器实现信号滤波功能。
[0024]本发明的进一步技术方案是:上述Α/D采样电路采用的是TI公司的串行ADS1115采样芯片，该模块的主要功能是实现对前级取样滤波后的两路电流和电压信号分别进行A/D转换，并将转换后的数字信号送入FPGA中，以供FPGA处理。
[0025]本发明的进一步技术方案是:上述FPGA主要用来实现MPPT技术的控制功能。FPGA通过接收到经过AD采样器采样后的电压和电流信号，并通过乘法器计算出输出功率，同时将计算得到的功率与寄存器中预先存储的功率值进行比较，生成基准电压信号，同时，将比较后大的功率值存储在寄存器中，用