本發(fā)明涉及航天電源控制領(lǐng)域，具體涉及一種基于超級電容的雙向逆變大力矩飛輪電源系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

近年來，隨著衛(wèi)星對快速機(jī)動需求越來越迫切，對大力矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)的需求也越來越強(qiáng)烈。對于大型衛(wèi)星而言，可以采用控制力矩陀螺來實(shí)現(xiàn)敏捷機(jī)動，但在中小衛(wèi)星姿控系統(tǒng)中，首選使用飛輪作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。目前國內(nèi)外飛輪的輸出力矩通常不超過0.5nm，這一情況主要受限于星上供電電壓大小有限和功率分配重點(diǎn)不同。針對衛(wèi)星敏捷機(jī)動時(shí)間短、電量要求高的特點(diǎn)，利用飛輪電機(jī)瞬間大過載能力下的轉(zhuǎn)矩輸出特性，通過大幅度提高電機(jī)驅(qū)動電流可以滿足飛輪峰值大力矩輸出需求，從而實(shí)現(xiàn)飛輪的大力矩化。因此，大功率供電成為大力矩飛輪解決方案之一。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于超級電容的雙向逆變大力矩飛輪電源系統(tǒng)，應(yīng)用于中小型衛(wèi)星供電系統(tǒng)中，設(shè)置于星上電源與飛輪之間，為飛輪提供瞬時(shí)大功率，滿足衛(wèi)星快速機(jī)動的需求，同時(shí)當(dāng)飛輪制動時(shí)，能回收能量，提高星上能量的利用率。

一種基于超級電容的雙向逆變大力矩飛輪電源系統(tǒng)，設(shè)置于星上電源與飛輪之間，為飛輪提供瞬時(shí)大功率，飛輪反饋當(dāng)前工作模式，包含：

超級電容模塊；

單向dc/dc模塊，輸入端與所述星上電源連接，輸出端與所述超級電容模塊連接，向超級電容模塊充電；

雙向dc/dc模塊，一端與所述超級電容模塊雙向連接，從超級電容模塊獲取能量或向超級電容模塊充電；另一端與所述飛輪雙向連接，向飛輪提供電源或從飛輪回收能量；

mcu控制模塊，輸入端分別與所述超級電容模塊、單向dc/dc模塊、雙向dc/dc模塊和飛輪連接，采集超級電容模塊的電量信息、雙向dc/dc模塊的電壓電流信息以及飛輪的工況信息；輸出端連接所述單向dc/dc模塊和雙向dc/dc模塊，控制單向dc/dc模塊和雙向dc/dc模塊的工作狀態(tài)。

上述的一種基于超級電容的雙向逆變大力矩飛輪電源系統(tǒng)，其中，所述mcu控制模塊檢測超級電容模塊中電量存儲情況，當(dāng)超級電容模塊中電量高于70%時(shí)關(guān)閉單向dc/dc模塊，當(dāng)超級電容模塊中電量低于50%時(shí)打開單向dc/dc模塊。

上述的一種基于超級電容的雙向逆變大力矩飛輪電源系統(tǒng)，其中，所述雙向dc/dc模塊與飛輪之間存在三種不同狀態(tài)：

雙向dc/dc模塊從所述超級電容模塊獲取能量，向飛輪提供28v/5a的常規(guī)電源；

雙向dc/dc模塊從所述超級電容模塊獲取能量，向飛輪提供70v/40a的瞬時(shí)大功率電源；

雙向dc/dc模塊從飛輪回收能量，并存儲到超級電容模塊中。

上述的一種基于超級電容的雙向逆變大力矩飛輪電源系統(tǒng)，其中，所述mcu控制模塊根據(jù)飛輪反饋的工作模式信息，控制所述雙向dc/dc模塊分別工作于：

反作用飛輪模式，向飛輪提供28v/5a的常規(guī)電源；

大力矩模式，向飛輪提供70v/40a的瞬時(shí)大功率電源；

發(fā)電機(jī)模式，從飛輪回收能量，并存儲到超級電容模塊中。

上述的一種基于超級電容的雙向逆變大力矩飛輪電源系統(tǒng)，其中，所述mcu控制模塊包含：

cpld控制單元；

第一pwm驅(qū)動單元，輸入端與cpld控制單元相連，輸出端與所述單向dc/dc模塊相連，根據(jù)所述cpld控制單元的控制調(diào)整單向dc/dc模塊的工作狀態(tài)；

第二pwm驅(qū)動單元，輸入端與所述cpld控制單元相連，輸出端與所述雙向dc/dc模塊相連，根據(jù)cpld控制單元的控制調(diào)整雙向dc/dc模塊的工作狀態(tài)；

第一采樣單元，輸入端與所述超級電容模塊相連；

第二采樣單元，輸入端與所述雙向dc/dc模塊相連；

dsp處理單元，輸入端分別與所述第一采樣單元、第二采樣單元和飛輪相連，分別獲取單向dc/dc模塊、雙向dc/dc模塊和飛輪的工作信息；輸出端與所述cpld控制單元相連，控制cpld控制單元工作。

上述的一種基于超級電容的雙向逆變大力矩飛輪電源系統(tǒng)，其中，所述超級電容模塊包含：

超級電容組，由多個(gè)超級電容串聯(lián)而成，快速存儲大量電量；

電壓均衡單元，控制所述超級電容組中每個(gè)單體電容上的電壓保持均衡。

上述的一種基于超級電容的雙向逆變大力矩飛輪電源系統(tǒng)，其中，所述dsp處理單元根據(jù)飛輪給出的工作模式信息決定雙向dc/dc模塊工作狀態(tài)。

上述的一種基于超級電容的雙向逆變大力矩飛輪電源系統(tǒng)，其中，所述dsp處理單元根據(jù)第一采樣單元給出的電量信息決定第一pwm驅(qū)動單元工作狀態(tài)。

上述的一種基于超級電容的雙向逆變大力矩飛輪電源系統(tǒng)，其中，所述dsp處理單元根據(jù)第二采樣單元給出的電壓電流信息決定第二pwm驅(qū)動單元工作狀態(tài)。

本發(fā)明提出的一種基于超級電容的雙向逆變大力矩飛輪電源系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)和有益效果是：

本發(fā)明夠滿足飛輪大力矩輸出時(shí)瞬時(shí)大功率供電需求，使飛輪能夠?qū)崿F(xiàn)短時(shí)間大力矩輸出。

本發(fā)明在飛輪反向制動過程中，能夠快速回收能量功能，抑制反向制動時(shí)泵升電壓對星上電源母線輸出端的干擾。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)框圖。

圖2是本發(fā)明中mcu控制模塊的框圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖，通過詳細(xì)說明一個(gè)較佳的具體實(shí)施例，對本發(fā)明做進(jìn)一步闡述。

本發(fā)明利用超級電容存儲電量能力強(qiáng)大、充電迅速和放電電流大的特點(diǎn)，以超級電容為設(shè)計(jì)核心，配合雙向dc/dc模塊3，實(shí)現(xiàn)平時(shí)提供常規(guī)電源28v/5a，衛(wèi)星需要快速機(jī)動時(shí)提供大功率電源70v/40a，飛輪制動時(shí)快速回收電能的多項(xiàng)功能?？梢杂行У慕鉀Q星上供電電壓較低、功率較小的不足。

如圖1所示，一種基于超級電容的雙向逆變大力矩飛輪電源系統(tǒng)，設(shè)置于星上電源與飛輪之間，為飛輪提供瞬時(shí)大功率，滿足衛(wèi)星快速機(jī)動的需求，飛輪則反饋當(dāng)前工作模式，包含超級電容模塊1、單向dc/dc模塊2、雙向dc/dc模塊3和mcu控制模塊4。

超級電容模塊1作為大功率電能的存儲介質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)快速的充放電。

單向dc/dc模塊2，輸入端與所述星上電源28v/5a連接，輸出端與所述超級電容模塊1連接，向超級電容模塊1充電，令超級電容模塊1儲存大量電能。

雙向dc/dc模塊3，一端與所述超級電容模塊1雙向連接，從超級電容模塊1獲取能量或向超級電容模塊1充電；另一端與所述飛輪雙向連接，向飛輪提供電源或從飛輪回收能量。

mcu控制模塊4，輸入端分別與所述超級電容模塊1、單向dc/dc模塊2、雙向dc/dc模塊3和飛輪連接，采集超級電容模塊1的電量信息、雙向dc/dc模塊3的電壓電流信息以及飛輪的工況信息；輸出端連接所述單向dc/dc模塊2和雙向dc/dc模塊3，控制單向dc/dc模塊2和雙向dc/dc模塊3的工作狀態(tài)。

所述mcu控制模塊4檢測超級電容模塊1中電量存儲情況，當(dāng)超級電容模塊1中電量高于70%時(shí)關(guān)閉單向dc/dc模塊2，停止向超級電容模塊1充電，當(dāng)超級電容模塊1中電量低于50%時(shí)打開單向dc/dc模塊2，恢復(fù)對超級電容模塊1充電。

所述雙向dc/dc模塊3與飛輪之間存在三種不同狀態(tài)：

a．雙向dc/dc模塊3從所述超級電容模塊1獲取能量，向飛輪提供28v/5a的常規(guī)電源；

b．雙向dc/dc模塊3從所述超級電容模塊1獲取能量，向飛輪提供70v/40a的瞬時(shí)（3s左右）大功率電源，使飛輪能夠?qū)崿F(xiàn)短時(shí)間大力矩輸出；

c．在飛輪反向制動過程中，雙向dc/dc模塊3從飛輪快速回收能量，并存儲到超級電容模塊1中，抑制反向制動時(shí)泵升電壓對星上電源母線輸出端的干擾。

所述mcu控制模塊4根據(jù)飛輪反饋的工作模式信息，控制所述雙向dc/dc模塊3分別工作于：

d．反作用飛輪模式，向飛輪提供28v/5a的常規(guī)電源；

e．大力矩模式，向飛輪提供70v/40a的瞬時(shí)大功率電源；

f．發(fā)電機(jī)模式，從飛輪回收能量，并存儲到超級電容模塊1中。

所述mcu控制模塊4包含cpld控制單元41、第一pwm驅(qū)動單元42、第二pwm驅(qū)動單元43、第一采樣單元44、第二采樣單元45和dsp處理單元46。

cpld控制單元41通過狀態(tài)機(jī)的機(jī)制生成相應(yīng)的pwm分別用來驅(qū)動單向的dc/dc功率變換器（boost）和雙向dc/dc功率變換器（buck/boost）。

第一pwm驅(qū)動單元42，輸入端與cpld控制單元41相連，輸出端與所述單向dc/dc模塊2相連，根據(jù)所述cpld控制單元41的控制調(diào)整單向dc/dc模塊2的工作狀態(tài)；

第二pwm驅(qū)動單元43，輸入端與所述cpld控制單元41相連，輸出端與所述雙向dc/dc模塊3相連，根據(jù)cpld控制單元41的控制調(diào)整雙向dc/dc模塊3的工作狀態(tài)；

第一采樣單元44，輸入端與所述超級電容模塊1相連，對超級電容的電量、充放電電壓和充放電電流進(jìn)行采樣；

第二采樣單元45，輸入端與所述雙向dc/dc模塊3相連，對雙向dc/dc模塊3輸出到飛輪的電壓和電流進(jìn)行采樣；

dsp處理單元46，輸入端分別與所述第一采樣單元44、第二采樣單元45和飛輪相連，分別獲取單向dc/dc模塊2、雙向dc/dc模塊3和飛輪的工作模式信息；輸出端與所述cpld控制單元41相連，控制cpld控制單元41工作。dsp處理單元46根據(jù)飛輪給出的工作模式信息決定雙向dc/dc模塊3的工作模式，并根據(jù)第一采樣單元44和第二采樣單元45采集的信息分別控制第一pwm驅(qū)動單元42和第二pwm驅(qū)動單元43，以電壓檢測為控制外環(huán)，電流檢測為控制內(nèi)環(huán)，監(jiān)測并調(diào)節(jié)實(shí)際的輸出電壓和電流。

所述超級電容模塊1包含超級電容組和電壓均衡單元。

超級電容組，由多個(gè)超級電容串聯(lián)而成，快速存儲大量電量。但超級電容具有功率密度大、能量密度高、充電迅速、存儲壽命長等突出的優(yōu)點(diǎn)，但也存在單體耐壓值較小、串聯(lián)后個(gè)體間電壓不均衡的問題。

電壓均衡單元，采用電壓均衡技術(shù)彌補(bǔ)超級電容的上述缺陷，控制所述超級電容組中每個(gè)單體電容上的電壓保持均衡。

mcu控制模塊4可以根據(jù)大力矩飛輪的工況設(shè)定雙向dc/dc逆變電路的轉(zhuǎn)換方向（輸出電能或回收電能）。

盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。