《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于BIT技術(shù)的PCU故障診斷和性能監(jiān)測系統(tǒng)
2019年電子技術(shù)應(yīng)用第5期
柳新軍1，張東來1，李安壽2，朱洪雨2
1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳) 機(jī)電工程與自動化學(xué)院，廣東 深圳518055；2.深圳航天科技創(chuàng)新研究院，廣東 深圳518057
摘要： 針對衛(wèi)星電源控制器（PCU）存在故障診斷和性能監(jiān)測能力有限的問題，對某衛(wèi)星電源控制器進(jìn)行了測試性設(shè)計，搭建了基于BIT技術(shù)的PCU在軌故障診斷和性能監(jiān)測系統(tǒng)。BIT由3個模擬板和1個核心板組成，模擬板可對數(shù)十路模擬信號進(jìn)行高速采樣，核心板運(yùn)行故障診斷和性能監(jiān)測算法，并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)打包、通信等工作，故障診斷和性能監(jiān)測結(jié)果在打包后發(fā)送至通信接口。驗證實驗表明，在不影響PCU正常工作的前提下，系統(tǒng)可對PCU的故障進(jìn)行準(zhǔn)確檢測和定位，診斷速度快，同時可對PCU的母線電壓紋波等性能進(jìn)行監(jiān)測。
中圖分類號： TP206+.3
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.190162
中文引用格式： 柳新軍，張東來，李安壽，等. 基于BIT技術(shù)的PCU故障診斷和性能監(jiān)測系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2019，45(5)：34-37.
英文引用格式： Liu Xinjun，Zhang Donglai，Li Anshou，et al. Fault diagnosis and performance monitoring system for PCU based on BIT technology[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(5)：34-37.
Fault diagnosis and performance monitoring system for PCU based on BIT technology
Liu Xinjun1，Zhang Donglai1，Li Anshou2，Zhu Hongyu2
1.School of Mechanical Engineering and Automation，Harbin Institute of Technology(Shenzhen)，Shenzhen 518055，China； 2.Shenzhen Academy of Aerospace Technology，Shenzhen 518057，China
Abstract： Aiming at the limited fault diagnosis and performance monitoring capabilities problem of satellite power control unit (PCU), the testability design is done for the PCU and the on-orbit fault diagnosis and performance monitoring system based on BIT technology is built. The BIT module consists of three analog boards and one core board. The analog board can perform high-speed sampling of dozens of analog signals, while the core board can run fault diagnosis and performance monitoring algorithms, and other works such as data storage, data packaging, and communication. The result of fault diagnosis and performance monitoring is sent to the communication interface after packaging. The verification experiment shows that the system can accurately detect and locate the fault of the PCU fastly without affecting the normal operation of the PCU. Meanwhile the performance of the PCU, such as bus voltage ripple, can be monitored.
Key words : satellite; power control unit; BIT; fault diagnosis

0 引言

    目前衛(wèi)星電源控制器(Power Control Unit，PCU)的故障診斷和性能監(jiān)測由地面系統(tǒng)根據(jù)遙測數(shù)據(jù)來完成，存在診斷實時性和控制能力有限、有些故障和性能無法檢測的問題。同時現(xiàn)階段大多數(shù)在軌電源控制器較少考慮故障診斷和性能監(jiān)測方面的需求，只能提供功率模塊簡單的健康狀態(tài)信息，無法對具體的故障進(jìn)行診斷和定位，也無法對母線電壓紋波等性能進(jìn)行監(jiān)測。因此，電源控制器的可測試性設(shè)計工作還有待進(jìn)一步提高[1-3]。針對這一問題，本文對PCU進(jìn)行了可測試性設(shè)計[4-6]，基于BIT(Built In Test)技術(shù)[7]實現(xiàn)了PCU在軌故障診斷和性能監(jiān)測，大大提高了PCU故障診斷的效率和準(zhǔn)確性，同時可對PCU性能進(jìn)行監(jiān)測，為在軌維修和健康管理等奠定了基礎(chǔ)。

1 PCU工作原理及測試點選擇

1.1 PCU工作原理

    PCU是衛(wèi)星電源系統(tǒng)的核心設(shè)備，起著調(diào)節(jié)太陽電池、蓄電池和負(fù)載之間功率平衡的作用，承擔(dān)著為衛(wèi)星提供穩(wěn)定一次母線、為蓄電池提供充放電管理功能的重要任務(wù)，是衛(wèi)星全壽命周期內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障。

    圖1為S3R架構(gòu)的電源系統(tǒng)組成圖。系統(tǒng)由太陽電池陣、蓄電池組、負(fù)載及PCU組成，其中PCU包括分流調(diào)節(jié)器（SR）、充電調(diào)節(jié)器（BCR）、放電調(diào)節(jié)器（BDR）以及遙測遙控（TMTC）。光照期，PCU通過分流調(diào)節(jié)器對太陽電池陣進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)負(fù)載需求功率小于太陽電池陣輸出功率時，富裕能量通過充電調(diào)節(jié)器對蓄電池組進(jìn)行充電。地影期，通過放電調(diào)節(jié)器對蓄電池組進(jìn)行放電，為整星提供全調(diào)節(jié)一次母線。

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1.2 測試點選擇

    某衛(wèi)星PCU采用S3R拓?fù)浼軜?gòu)，由6個分流調(diào)節(jié)器（SR）、2個充電調(diào)節(jié)器（BCR）、2個放電調(diào)節(jié)器（BDR）組成。

    按照以下步驟確定該P(yáng)CU的測試點：

    (1)故障模式分析。對分流調(diào)節(jié)器SR、充電調(diào)節(jié)器BCR、放電調(diào)節(jié)器BDR等模塊進(jìn)行故障模式分析。經(jīng)分析，故障模式包括分流調(diào)節(jié)電路常分流故障、分流調(diào)節(jié)電路常供電故障、放電調(diào)節(jié)器無輸出、放電調(diào)節(jié)器輸出電流值錯誤、充電調(diào)節(jié)器無輸出、充電調(diào)節(jié)器輸出電流值錯誤、充電調(diào)節(jié)器恒壓控制失效等。

    (2)測試性建模。在故障模式分析、故障傳遞關(guān)系分析基礎(chǔ)上，使用測試性建模軟件建立PCU的故障與測試的相關(guān)性模型。這些故障模式相關(guān)的測試點為主誤差放大器（Main Error Amplifier，MEA）電壓、太陽電池子陣電壓、母線電壓、放電調(diào)節(jié)器輸出電流、充電調(diào)節(jié)器輸出電流、蓄電池組電壓等。

    (3)考慮性能監(jiān)測需求。需要監(jiān)測的性能為：母線電壓紋波、分流調(diào)節(jié)器效率、放電調(diào)節(jié)器效率、充電調(diào)節(jié)器效率，需要的測試點為母線電壓、太陽電池子陣電壓、蓄電池組電壓、放電調(diào)節(jié)器輸入輸出電流、充電調(diào)節(jié)器輸入輸出電流。

    (4)測試點優(yōu)化。綜合考慮故障診斷和性能監(jiān)測需求，以故障檢測率和故障隔離率為優(yōu)化目標(biāo)，并考慮測試點對原電路的影響，完成測試點優(yōu)化。最終確定的測試點如表1所示。

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    與基于遙測數(shù)據(jù)的故障診斷相比，采用BIT技術(shù)后的故障檢測率和故障隔離率大大提升。故障檢測率和故障隔離率的提升來主要自于兩個方面：(1)測試點的增加。有些故障無法根據(jù)原先的遙測測試點進(jìn)行檢測，BIT設(shè)計時增加了測試點，可對這些故障進(jìn)行檢測和定位。(2)測試點采樣頻率的提升。原先的遙測測試點采樣頻率過低，導(dǎo)致有些故障無法檢測，BIT設(shè)計時對采樣頻率進(jìn)行了提升，可對這些故障進(jìn)行檢測和定位。

2 系統(tǒng)BIT軟硬件實現(xiàn)

2.1 BIT硬件實現(xiàn)

    如圖2所示，在原PCU各模塊基礎(chǔ)上新增BIT模塊。BIT模塊采用模塊化設(shè)計，包括1個核心板和3個模擬板，如圖3所示。核心板為FPGA+ARM雙核心，用來運(yùn)行故障診斷算法、進(jìn)行通信等；模擬板為高速采樣的FPGA，負(fù)責(zé)對不同采樣頻率的測試點進(jìn)行采樣；各模擬板和核心板通過高速背板進(jìn)行連接。BIT的故障診斷結(jié)果和性能監(jiān)測結(jié)果傳輸至1553B通信接口。

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2.2 BIT軟件實現(xiàn)

    在微處理器電路中編寫軟件完成故障診斷和性能監(jiān)測。如圖4所示，BIT軟件包括故障診斷和性能監(jiān)測任務(wù)，具體來講，包括故障診斷模塊、性能監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)打包發(fā)送模塊和通信模塊。

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    故障診斷模塊利用采集到的測試點數(shù)據(jù)，比較正常工況和故障工況時的差異，差異達(dá)到一定閾值或者邏輯狀態(tài)相反時認(rèn)為故障發(fā)生。

    性能監(jiān)測模塊利用采樣的測試點對PCU的關(guān)鍵部件性能進(jìn)行監(jiān)測，包括母線電壓紋波、分流效率、充電效率、放電效率等。需要注意的是，因工作模式的不同，各功率模塊不是總在工作狀態(tài)，應(yīng)在模塊工作狀態(tài)時對性能指標(biāo)進(jìn)行評估和計算。

    數(shù)據(jù)存儲模塊對故障診斷結(jié)果、性能監(jiān)測數(shù)據(jù)及故障相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。此處的故障相關(guān)數(shù)據(jù)可取檢測到故障時前后10 ms內(nèi)的故障相關(guān)測試點數(shù)據(jù)。若數(shù)據(jù)超出存儲空間則覆蓋最早的存儲數(shù)據(jù)。

    數(shù)據(jù)打包模塊則把故障診斷結(jié)果、性能監(jiān)測數(shù)據(jù)及故障相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包。

    通信模塊則把打包好的信息發(fā)送至1553B通信接口。

3 實驗驗證

    圖5為增加BIT模塊后的PCU實物圖，使用圖6所示的PCU可測試性實驗驗證平臺對PCU實物進(jìn)行可測試性驗證，驗證平臺包括太陽電池陣模擬器、蓄電池組模擬器、負(fù)載模擬器、綜合電子模擬器、輔助源、連接線纜等。其中綜合電子模擬器為工控機(jī)，用來模擬對PCU的遙控遙測操作。

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    首先確定故障測試樣本庫，包括故障注入方法、故障注入成功判據(jù)、故障檢測和故障隔離成功標(biāo)志等。故障樣本庫的選擇采用基于準(zhǔn)隨機(jī)序列的簡單隨機(jī)方法從故障模式庫中進(jìn)行抽樣。其次實施故障注入試驗，每次注入樣本庫中的一個故障，故障注入方法根據(jù)故障模式選擇硬件注入或軟件注入。通過對模擬器進(jìn)行設(shè)置模擬衛(wèi)星在軌工作情況，之后進(jìn)行故障檢測、故障隔離，故障診斷結(jié)果通過1553B通信接口傳送至工控機(jī)（同時是綜合電子模擬器）。記錄試驗數(shù)據(jù)，修復(fù)產(chǎn)品到正常狀態(tài)，然后再注入下一個故障，直到完成所有故障樣本庫為止。故障測試結(jié)果如表2所示，從132個故障模式中隨機(jī)抽取147次，生成含147個樣本的故障樣本庫，依次對故障測試樣本庫中的故障樣本進(jìn)行實驗后，可計算得到故障檢測率為93.63%，故障隔離率為100%。另外，實驗表明利用BIT系統(tǒng)可同時對PCU的性能進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測。

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4 結(jié)論

    對某衛(wèi)星PCU進(jìn)行了可測試性設(shè)計，基于BIT技術(shù)設(shè)計了BIT軟硬件，實現(xiàn)了PCU在軌故障診斷和性能監(jiān)測，可對PCU故障進(jìn)行快速檢測和準(zhǔn)確定位，同時可對PCU在軌工作時的性能進(jìn)行實時監(jiān)測，為PCU在軌維修、健康管理等奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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作者信息:

柳新軍1，張東來1，李安壽2，朱洪雨2

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳) 機(jī)電工程與自動化學(xué)院，廣東 深圳518055；2.深圳航天科技創(chuàng)新研究院，廣東 深圳518057）

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