基于BIT技术的PCU故障诊断和性能监测系统

0引言
目前卫星电源控制器(Power Control Unit,PCU)的故障诊断和性能监测由地面系统根据遥测数据来完成,存在诊断实时性和控制能力有限、有些故障和性能无法检测的问题。

同时现阶段大多数在轨电源控制器较少考虑故障诊断和性能监测方面的需求,只能提供功率模块简单的健康状态信息,无法对具体的故障进行诊断和定位,也无法对母线电压纹波等性能进行监测。

因此,电源控制器的可测试性设计工作还有待进一步提高[1-3]。

针对这一问题,本文对PCU进行了可测试性设计[4-6],基于BIT(Built In Test)技术[7]实现了PCU在轨故障诊断和性能监测,大大提高了PCU故障诊断的效率和准确性,同时可对PCU性能进行监测,为在轨维修和健康管理等奠定了基础。

1PCU工作原理及测试点选择
1.1PCU工作原理
PCU是卫星电源系统的核心设备,起着调节太阳电池、蓄电池和负载之间功率平衡的作用,承担着为卫星提供稳定一次母线、为蓄电池提供充放电管理功能的重要任务,是卫星全寿命周期内稳定运行的重要保障。

图1为S3R架构的电源系统组成图。

系统由太阳电池阵、蓄电池组、负载及PCU组成,其中PCU包括分流调节器(SR)、充电调节器(BCR)、放电调节器(BDR)以及遥测遥控(TMTC)。

光照期,PCU通过分流调节器对太
基于BIT技术的PCU故障诊断和性能监测系统∗
柳新军1,张东来1,李安寿2,朱洪雨2
(1.哈尔滨工业大学(深圳)机电工程与自动化学院,广东深圳518055;2.深圳航天科技创新研究院,广东深圳518057)摘要:针对卫星电源控制器(PCU)存在故障诊断和性能监测能力有限的问题,对某卫星电源控制器进行了测试性设计,搭建了基于BIT技术的PCU在轨故障诊断和性能监测系统。

BIT由3个模拟板和1个核心板组成,模拟板可对数十路模拟信号进行高速采样,核心板运行故障诊断和性能监测算法,并进行数据存储、数据打包、通信等工作,故障诊断和性能监测结果在打包后发送至通信接口。

验证实验表明,在不影响PCU正常工作的前提下,系统可对PCU的故障进行准确检测和定位,诊断速度快,同时可对PCU的母线电压纹波等性能进行监测。

关键词:卫星;电源控制器;BIT;故障诊断
中图分类号:TP206+.3文献标识码:A DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.190162
中文引用格式:柳新军,张东来,李安寿,等.基于BIT技术的PCU故障诊断和性能监测系统[J].电子技术应用,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),Shenzhen518055,China;
2.Shenzhen Academy of Aerospace Technology,Shenzhen518057,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
∗基金项目:国防基础科研计划项目(JCKY2017603C017)
图3BIT 模块组成图
阳电池阵进行调节,当负载需求功率小于太阳电池阵输出功率时,富裕能量通过充电调节器对蓄电池组进行充电。

地影期,通过放电调节器对蓄电池组进行放电,为整星提供全调节一次母线。

1.2测试点选择
某卫星PCU 采用S3R 拓扑架构,由6个分流调节器
(SR )、2个充电调节器(BCR )、2个放电调节器(BDR )组
成。

按照以下步骤确定该PCU 的测试点:
(1)故障模式分析。

对分流调节器SR 、充电调节器BCR 、放电调节器BDR 等模块进行故障模式分析。

经分
析,故障模式包括分流调节电路常分流故障、分流调节电路常供电故障、放电调节器无输出、放电调节器输出电流值错误、充电调节器无输出、充电调节器输出电流值错误、充电调节器恒压控制失效等。

(2)测试性建模。

在故障模式分析、故障传递关系分
析基础上,使用测试性建模软件建立PCU 的故障与测
试的相关性模型。

这些故障模式相关的测试点为主误差放大器(Main Error Amplifier ,MEA )电压、太阳电池子阵电压、母线电压、放电调节器输出电流、充电调节器输出电流、蓄电池组电压等。

(3)考虑性能监测需求。

需要监测的性能为:母线电
压纹波、分流调节器效率、放电调节器效率、充电调节器效率,需要的测试点为母线电压、太阳电池子阵电压、蓄
电池组电压、放电调节器输入输出电流、充电调节器输入输出电流。

(4)测试点优化。

综合考虑故障诊断和性能监测需
求,以故障检测率和故障隔离率为优化目标,并考虑测试点对原电路的影响,完成测试点优化。

最终确定的测试点如表1所示。

与基于遥测数据的故障诊断相比,采用
BIT 技术后的故障检测率和故障隔离率大
大提升。

故障检测率和故障隔离率的提升
来主要自于两个方面:(1)测试点的增加。

有些故障无法根据原先的遥测测试点进行检测,BIT 设计时增加了测试点,可对这些故
障进行检测和定位。

(2)测试点采样频率的提升。

原先的遥测测试点采样频率过低,导致有些故障无法检测,BIT 设计时对采样频率进行了提升,可对这些故障进行检测和定位。

2系统BIT 软硬件实现
2.1BIT 硬件实现
如图2所示,在原PCU 各模块基础上新增BIT 模块。

BIT 模块采用模块化设计,包括1个核心板和3个模拟板,如图3所示。

核心板为FPGA+ARM 双核心,用来运
行故障诊断算法、进行通信等;模拟板为高速采样的FPGA
,
图1S3R 架构PCU 示意图
表1故障诊断与性能监测所需测试点
序号12345678
9
1011121314151617测试点信号名称太阳电池子阵1电压太阳电池子阵2电压太阳电池子阵3电压太阳电池子阵4电压太阳电池子阵5电压太阳电池子阵6电压
母线电压
MEA 电压蓄电池组电压放电调节器1输入电流放电调节器2输入电流放电调节器1输出电流放电调节器2输出电流充电调节器1输入电流充电调节器2输入电流充电调节器1输出电流充电调节器2输出电流
测试点信号最高频率/kHz
555555
100511111111
1图2在原PCU 基础上增加BIT 模块示意图
图6实验验证平台示意图
负责对不同采样频率的测试点进行采样;各模拟板和核心板通过高速背板进行连接。

BIT 的故障诊断结果和性能监测结果传输至1553B 通信接口。

2.2BIT 软件实现
在微处理器电路中编写软件完成故障诊断和性能监测。

如图4所示,BIT 软件包括故障诊断和性能监测任务,具体来讲,包括故障诊断模块、性能监测模块、数据存储模块、数据打包发送模块和通信模块。

故障诊断模块利用采集到的测试点数据,比较正常工况和故障工况时的差异,差异达到一定阈值或者逻辑状态相反时认为故障发生。

性能监测模块利用采样的测试点对PCU 的关键部件性能进行监测,包括母线电压纹波、分流效率、充电效率、放电效率等。

需要注意的是,因工作模式的不同,各功率模块不是总在工作状态,应在模块工作状态时对性能指标进行评估和计算。

数据存储模块对故障诊断结果、性能监测数据及故
障相关数据进行存储。

此处的故障相关数据可取检测到故障时前后10ms 内的故障相关测试点数据。

若数据超出存储空间则覆盖最早的存储数据。

数据打包模块则把故障诊断结果、性能监测数据及故障相关数据进行打包。

通信模块则把打包好的信息发送至1553B 通信接口。

3实验验证
图5为增加BIT 模块后的PCU 实物图,使用图6所示的PCU 可测试性实验验证平台对PCU 实物进行可测试性验证,验证平台包括太阳电池阵模拟器、蓄电池组模拟器、负载模拟器、综合电子模拟器、辅助源、连接线缆等。

其中综合电子模拟器为工控机,用来模拟对PCU 的遥控遥测操作。

首先确定故障测试样本库,包括故障注入方法、故障注入成功判据、故障检测和故障隔离成功标志等。

故障样本库的选择采用基于准随机序列的简单随机方法从故障模式库中进行抽样。

其次实施故障注入试验,每次注入样本库中的一个故障,故障注入方法根据故障模式选择硬件注入或软件注入。

通过对模拟器进行设置模拟卫星在轨工作情况,之后进行故障检测、故障隔离,故障诊断结果通过1553B 通信接口传送至工控机(同时是综合电子模拟器)。

记录试验数据,修复产品到正常状态,然后再注入下一个故障,直到完成所有故障样本
库
图4BIT 软件功能图
图5增加BIT 模块后的PCU 实物
图
率达林顿阵列版图结构。

采用单元阵列对称叉指结构,散热均匀,稳定性好,改进工艺采用等平面布线结构后,降低了布线台阶,提高了面积利用率。

版图用于一款高
压功率运放的输出级,添加相关寄生参数后仿真结果表明,能够达到电路驱动9A 峰值电流。

参考文献
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业出版社,2011.
(收稿日期:2018-08-27)
作者简介:
徐凯英(1994-),男,硕士研究生,主要研究方向:功率器件、模拟集成电路设计。

马奎(1985-),通信作者,男,博士,副教授,主要研究方向:半导体集成技术、三维集成技术、功率器件和功率集成电路,E-mail :kma@ 。

(上接第33页
)
图8后仿真结果
图9运放整体版
图
图7前仿真结果
为止。

故障测试结果如表2所示,从132个故障模式中随机抽取147次,生成含147个样本的故障样本库,依次对故障测试样本库中的故障样本进行实验后,可计算得到故障检测率为93.63%,故障隔离率为100%。

另外,实验表明利用BIT 系统可同时对PCU 的性能进行准确监测。

4结论
对某卫星PCU 进行了可测试性设计,基于BIT 技术设计了BIT 软硬件,实现了PCU 在轨故障诊断和性能监测,可对PCU 故障进行快速检测和准确定位,同时可对PCU 在轨工作时的性能进行实时监测,为PCU 在轨维修、健康管理等奠定了基础。

参考文献
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案[J].仪器仪表学报,2006,27(6)增刊:2519-2521,2553.
(收稿日期:2019-02-19)
柳新军(1978-),男,博士研究生,高级工程师,主要研究方向:航天器供配电系统总体设计。

张东来(1973-),男,博士,教授,主要研究方向:空间电源、电力电子变换器。

李安寿(1984-),男,博士,工程师,主要研究方向:航天器电源仿真、故障诊断。

表2故障测试结果
故障样本数
147
故障模式数
132
故障检测率/%
93.63
故障隔离率/%
100。