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(cè)由地面系統(tǒng)根據(jù)遙測(cè)數(shù)據(jù)來完成，存在診斷實(shí)時(shí)性和控制能力有限、有些故障和性能無(wú)法檢測(cè)的問題。同時(shí)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(cè)方面的需求，只能提供功率模塊簡(jiǎn)單的健康狀態(tài)信息，無(wú)法對(duì)具體的故障進(jìn)行診斷和定位，也無(wú)法對(duì)母線電壓紋波等性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)。因此，電源控制器的可測(cè)試性設(shè)計(jì)工作還有待進(jìn)一步提高^[1-3]。針對(duì)這一問題，本文對(duì)PCU進(jìn)行了可測(cè)試性設(shè)計(jì)^[4-6]，基于BIT(Built In Test)技術(shù)^[7]實(shí)現(xiàn)了PCU在軌故障診斷和性能監(jiān)測(cè)，大大提高了PCU故障診斷的效率和準(zhǔn)確性，同時(shí)可對(duì)PCU性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)，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(cè)試點(diǎn)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(yáng)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(yáng)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(cè)遙控（TMTC）。光照期，PCU通過分流調(diào)節(jié)器對(duì)太陽(yáng)電池陣進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)負(fù)載需求功率小于太陽(yáng)電池陣輸出功率時(shí)，富裕能量通過充電調(diào)節(jié)器對(duì)蓄電池組進(jìn)行充電。地影期，通過放電調(diào)節(jié)器對(duì)蓄電池組進(jìn)行放電，為整星提供全調(diào)節(jié)一次母線。

1.2 測(cè)試點(diǎn)選擇

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

    按照以下步驟確定該P(yáng)CU的測(cè)試點(diǎn)：

    (1)故障模式分析。對(duì)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(wú)輸出、放電調(diào)節(jié)器輸出電流值錯(cuò)誤、充電調(diào)節(jié)器無(wú)輸出、充電調(diào)節(jié)器輸出電流值錯(cuò)誤、充電調(diào)節(jié)器恒壓控制失效等。

    (2)測(cè)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(cè)試性建模軟件建立PCU的故障與測(cè)試的相關(guān)性模型。這些故障模式相關(guān)的測(cè)試點(diǎn)為主誤差放大器（Main Error Amplifier，MEA）電壓、太陽(yáng)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(cè)需求。需要監(jiān)測(cè)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(cè)試點(diǎn)為母線電壓、太陽(yáng)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(cè)試點(diǎn)優(yōu)化。綜合考慮故障診斷和性能監(jiān)測(cè)需求，以故障檢測(cè)率和故障隔離率為優(yōu)化目標(biāo)，并考慮測(cè)試點(diǎn)對(duì)原電路的影響，完成測(cè)試點(diǎn)優(yōu)化。最終確定的測(cè)試點(diǎn)如表1所示。

    與基于遙測(cè)數(shù)據(jù)的故障診斷相比，采用BIT技術(shù)后的故障檢測(cè)率和故障隔離率大大提升。故障檢測(cè)率和故障隔離率的提升來主要自于兩個(gè)方面：(1)測(cè)試點(diǎn)的增加。有些故障無(wú)法根據(jù)原先的遙測(cè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，BIT設(shè)計(jì)時(shí)增加了測(cè)試點(diǎn)，可對(duì)這些故障進(jìn)行檢測(cè)和定位。(2)測(cè)試點(diǎn)采樣頻率的提升。原先的遙測(cè)測(cè)試點(diǎn)采樣頻率過低，導(dǎo)致有些故障無(wú)法檢測(cè)，BIT設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)采樣頻率進(jìn)行了提升，可對(duì)這些故障進(jìn)行檢測(cè)和定位。

2 系統(tǒng)BIT軟硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 BIT硬件實(shí)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(jì)，包括1個(gè)核心板和3個(gè)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(duì)不同采樣頻率的測(cè)試點(diǎn)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(cè)結(jié)果傳輸至1553B通信接口。

2.2 BIT軟件實(shí)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(cè)。如圖4所示，BIT軟件包括故障診斷和性能監(jiān)測(cè)任務(wù)，具體來講，包括故障診斷模塊、性能監(jiān)測(cè)模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)打包發(fā)送模塊和通信模塊。

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

    性能監(jiān)測(cè)模塊利用采樣的測(cè)試點(diǎn)對(duì)PCU的關(guān)鍵部件性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)，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(shí)對(duì)性能指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估和計(jì)算。

    數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊對(duì)故障診斷結(jié)果、性能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及故障相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。此處的故障相關(guān)數(shù)據(jù)可取檢測(cè)到故障時(shí)前后10 ms內(nèi)的故障相關(guān)測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù)。若數(shù)據(jù)超出存儲(chǔ)空間則覆蓋最早的存儲(chǔ)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(cè)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

    圖5為增加BIT模塊后的PCU實(shí)物圖，使用圖6所示的PCU可測(cè)試性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)對(duì)PCU實(shí)物進(jìn)行可測(cè)試性驗(yàn)證，驗(yàn)證平臺(tái)包括太陽(yáng)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(duì)PCU的遙控遙測(cè)操作。

    首先確定故障測(cè)試樣本庫(kù)，包括故障注入方法、故障注入成功判據(jù)、故障檢測(cè)和故障隔離成功標(biāo)志等。故障樣本庫(kù)的選擇采用基于準(zhǔn)隨機(jī)序列的簡(jiǎn)單隨機(jī)方法從故障模式庫(kù)中進(jìn)行抽樣。其次實(shí)施故障注入試驗(yàn)，每次注入樣本庫(kù)中的一個(gè)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(duì)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(cè)、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(shí)是綜合電子模擬器）。記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，修復(fù)產(chǎn)品到正常狀態(tài)，然后再注入下一個(gè)故障，直到完成所有故障樣本庫(kù)為止。故障測(cè)試結(jié)果如表2所示，從132個(gè)故障模式中隨機(jī)抽取147次，生成含147個(gè)樣本的故障樣本庫(kù)，依次對(duì)故障測(cè)試樣本庫(kù)中的故障樣本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后，可計(jì)算得到故障檢測(cè)率為93.63%，故障隔離率為100%。另外，實(shí)驗(yàn)表明利用BIT系統(tǒng)可同時(shí)對(duì)PCU的性能進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)論

    對(duì)某衛(wèi)星PCU進(jìn)行了可測(cè)試性設(shè)計(jì)，基于BIT技術(shù)設(shè)計(jì)了BIT軟硬件，實(shí)現(xiàn)了PCU在軌故障診斷和性能監(jiān)測(cè)，可對(duì)PCU故障進(jìn)行快速檢測(cè)和準(zhǔn)確定位，同時(shí)可對(duì)PCU在軌工作時(shí)的性能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為PCU在軌維修、健康管理等奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 李彬，張強(qiáng)，任焜，等.航天器可測(cè)試性設(shè)計(jì)研究[J].空間控制技術(shù)與應(yīng)用，2010，36(5)：13-17.

[2] 熊曉英，王九龍，趙巖松.載人航天產(chǎn)品可測(cè)試性設(shè)計(jì)方法初步研究[J].載人航天，2011(3)：42-47.

[3] Liu Xinjun，Zhang Donglai，Li Anshou，et al.Study on the influence of solar array damage on satellite power system[C].10th Ineernational Conference on Modelling，Identification and Control(ICMIC)，2018：1-5.

[4] 王新成，孫宏，蔡吉仁，等.一種安全可控的SoC可測(cè)性設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2006，32(12)：39-41.

[5] 白宇峰，呂寅鵬.基于抗隨機(jī)性故障分析的高效率可測(cè)試設(shè)計(jì)方法[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(8)：40-42.

[6] 董健康，潘玉娥，耿宏.一種飛機(jī)TCAS電子系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2011，37(3)：91-93，97.

[7] 牛星巖，沈頌華.飛機(jī)電源系統(tǒng)智能BIT的發(fā)展及解決方案[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，27(6)增刊：2519-2521，2553.

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(dòng)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）