CC BY
10
удк 621.311.69
Н.В. Штабель, Е.А. Мизрах, Р.В. Балакирев
Сибирский государственный аэрокосмический университет
имени академика М.Ф. Решетнева, г. Красноярск
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ ДЛЯ ИМИТАТОРОВ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ
В настоящее время для наземных испытаний энергосистем космических аппаратов, использующих в качестве источника первичного электропитания солнечные батареи, широко применяются имитаторы солнечных батарей (ИБС). ИБС представляют из себя источники электропитания, воспроизводящие основные характеристики солнечной батареи (БС), такие как вольтамперная характеристика (ВАХ) и адмитансная частотная характеристика (АдЧХ).
В СибГАУ разрабатываются ИБС, использующие принцип формирования требуемых характеристик по цепи функциональной обратной связи (ФОС). ИБС, выполнены (рис.1) по схеме стабилизатора тока с обратной связью по напряжению нагрузки, содержащей функциональный преобразователь (ФП), воспроизводящий требуемую ВАХ, и масштабирующие устройства, необходимые для регулирования ВАХ в требуемом диапазоне.
Рис. 1. Структурная схема ИБС с ФОС по напряжению нагрузки
208
В [1, 2], показано, что свойства ФОС, оказывают существенное влияние на точностные и динамические характеристики имитатора, а именно: погрешность воспроизведения ВАХ, полосу пропускания и адмитансно-частотную характеристику. Причём свойства ФОС, определяются, главным образом, свойствами ФП. Поэтому разработка ФП, обеспечивающего требуемые статические и динамические характеристики ИБС, представляет значительный интерес.
Условно все ФП можно разделить на три группы по способу реализации:
1. ФП на эталонном элементе (характеристика задаётся настоящим солнечным элементом, помещённым в условия требуемого спектра освещения, температуры и т. п., применялась в имитаторах БС производства США);
2. ФП диодного типа (для получения характеристики используется ВАХ диода, в силу схожести её с ВАХ БС);
3. ФП схемотехнические (электрическая схема на дискретных элементах обеспечивает воспроизведение ВАХ), которые, в свою очередь, подразделяются на аналоговые и цифровые, в которых входной сигнал преобразуется в цифровую форму для обработки.
ФП на эталонном элементе является одним из наиболее сложных в реализации. Настоящий солнечный элемент помещается в близкие к орбитальным условия с помощью специальных ламп, температурной стабилизации и т. п. для того, чтобы характеристика элемента соответствовала таковой на орбите. Из-за сложности такие ФП не получили широкого рас-
пространения.
В ФП диодного типа для получения требуемой характеристики используется диод, ВАХ которого схожа с ВАХ БС. Достаточно просто реализуется по сравнению с эталонными и схемотехническими, однако не предоставляет гибкости настройки ВАХ, а также не всегда соответствуетВАХопределённоймоделиБС.
Аналоговый ФП схемотехнического типа, аппроксимирующий ВАХ отрезками, выполняется с помощью схемы на транзисторных ключах, количество которых определяет количество сегментов ВАХ [2]. Использование на входе и на выходе ФП масштабирующих устройств с цифровым управлением, позволяющих регулировать ВАХ по току и напряжению, даёт возможность имитировать специальные рабочие режимы БС, такие как заход в тень, изменение температуры БС. Аварийные режимы и т.п. К недостаткам таких ФП можно отнести, невозможность изменить вид ВАХ, сложность в настройке, относительно высокую погрешность воспроизведения ВАХ (по сравнению с ЦФП).
Последними разработками в рассматриваемой области являются цифровые ФП (ЦФП), в основе которых лежит предварительное аналого-цифровое преобразование сигнала, что позволяет обрабатывать сигнал с помощью современных средств микропроцессорной техники, цифровых обработчиков сигнала, ПЛИС, стандартной логики и т. д. Такие ФП обеспечивают большую гибкость настройки, возможность менять ВАХ в процессе работы ИБС, относительную простоту в настройке и проектировании.
Среди ЦФП можно выделить:
• ФП вычисляющего типа, в которых в качестве обработчика сигнала выступает микроконтроллер, который для каждого входящего значения сигнала каждый раз вычисляет выходное значение;
• ФП табличного типа, в которых входной сигнал поступает на запоминающее устройство, в котором для всех возможных значений входного сигнала записаны выходные значения.
Вне зависимости от устройства реализации обработки цифрового сигнала (ЦОС) в цифровых ФП осуществляется последующее цифроаналоговое преобразование сигнала.
209
Типовая структурная схема ЦФП показана на рисунке 2.
Входной каскад Выходной каскад
Рис. 2. Общая структурная схема цифрового ФП
Цифровые ФП также могут быть дополнены масштабирующими устройствами на входе (Мвх) и на выходе (Мвых), как и в случае с аналоговым ФП. Это также позволяет решить проблему падения разрешающей способности ФП при неполном использовании диапазона регулирования ВАХ.
При всех достоинствах цифровые ФП по сравнению с аналоговыми обладают одним существенным недостатком - меньшим быстродействием, что оказывает негативное влияние на воспроизведение АдЧХ ИБС. Этот недостаток обусловлен относительно низкой скоростью преобразования аналогового сигнала в цифровой и обратно. Воздействие на АдЧХ объясняется тем, что фактически цифровой ФП представляет собой звено чистого запаздывания с нелинейностью. Это даёт эффект равносильный паразитной ёмкости включенной на выходе ИБС. Из выражения [2] для АдЧХ ИБС:
У (з,и ) =
СБ 1 + я
(і/ я
ДСБ
(^)+ ССБ № ))
видно что увеличение выходной ёмкости ССБ оказывает серьёзное влияние на АдЧХ ИБС.
Авторами были исследованы характеристики и произведено сравнение трёх основных типов ФП: аналогового ФП с масштабирующими элементами, цифровых ФП вычислительного и табличного типа. Исследование проводилось по двум основным направлениям: определение динамических характеристик ФП, работающего отдельно и определение динамических характеристик ИБС с данными типами ФП.
При определении динамических характеристик цифровых ФП снимались амплитудночастотная и фазо-частотная характеристики (ФЧХ). На рисунке 3 показаны полученные (ФЧХ) для обоих типов цифровых ФП, из которых видно что табличный ФП имеет меньшее запаздывание по фазе (более высокое быстродействие), и поэтому оказывает меньшее влияние на выходную ёмкость ИБС.
о -20 ^0 -60 Ч -80 2- -100 9- -120 -140 -160 -180 -200
И э * (г 4
ЦФП табличнь й —и
ЦФП вычислительный —К—
10и
ю1
10г
103 I. ГЦ
Рис. 3
ю4
ю5
10е
210
Для исследования влияния динамики ФП снималась АдЧХ ИБС с аналоговым ФП и цифровым табличным ФП.
Сравнение (рис. 4) АдЧХ ИБС с аналоговым и цифровым ФП показывает, что характеристики практически не отличаются. Это позволяет заменить в ИБС аналоговые ФП на цифровые ФП табличного типа при обеспечении требуемой динамической точности и расширении- функциональных возможностей ИБС за счёт повышения гибкости задания формы ВАХ.
Библиографический список
1. Мизрах, Е. А. О синтезе адмитансных частотных характеристик имитатора солнечной батареи / Е. А. Мизрах, А. С. Сидоров, Р. В. Балакирев // вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева / под ред. Г. П. Белякова. - Красноярск : СибГАУ, 2006. - вып. 2(9).
2. Сидоров, А. С. Исследование имитатора солнечных батарей с параллельным Непрерывным усилителем мощности / А. С. Сидоров, Е. А. Мизрах // вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева / под ред. Г. П. Белякова. - Красноярск : СибГАУ, 2007. - вып. 4(17)
