兩自由度衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣驅(qū)動(dòng)裝置的原理與設(shè)計(jì)

米海山 季毅巍 張偉 蔣強(qiáng) 楊小菊

【關(guān)鍵詞】太陽(yáng)電池陣 主動(dòng)跟蹤 被動(dòng)跟蹤 控制系統(tǒng) 對(duì)日定向

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展和國(guó)家建設(shè)的需要，導(dǎo)航、通訊等大功率衛(wèi)星在國(guó)防建設(shè)和人們?nèi)粘Ｉ钪芯哂性絹?lái)越重要的重用。同時(shí)，這些衛(wèi)星對(duì)能量的需求也逐漸的增多。處于太空中的衛(wèi)星失去了地面的支持后，除去自身攜帶的能源供應(yīng)外，就只有通過(guò)利用宇宙能源來(lái)滿(mǎn)足自身的能量需求。在太空，衛(wèi)星最常用的宇宙能源就是太陽(yáng)能。要想充分吸取太陽(yáng)的能量，除了良好的太陽(yáng)能電池陣外，還必須使太陽(yáng)能電池陣法線時(shí)刻與太陽(yáng)光線平行，這樣才能得到更多的太陽(yáng)能量。

目前在國(guó)內(nèi)，大部分航天器上的太陽(yáng)電池陣都采用單自由度驅(qū)動(dòng)，該驅(qū)動(dòng)方式使太陽(yáng)電池陣只能在俯仰方向上實(shí)現(xiàn)對(duì)日定向，而水平方向上只能通過(guò)調(diào)整衛(wèi)星的姿態(tài)才得以實(shí)現(xiàn)。通過(guò)調(diào)整衛(wèi)星的姿態(tài)來(lái)控制太陽(yáng)電池陣在在水平方向上對(duì)日定向，這種方式增大了衛(wèi)星姿態(tài)的控制難度，而且對(duì)日定向精度不高，不能夠有效地實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)電池陣的對(duì)日定向，以使得太陽(yáng)電池陣的發(fā)電效率受到限制。在國(guó)外航天器太陽(yáng)能電池陣早已采用雙自由度驅(qū)動(dòng)方式，此驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以使得太陽(yáng)電池陣在全方位空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)日定向。在衛(wèi)星姿態(tài)保持不改變的情況下，可以通過(guò)控制方位軸與俯仰軸的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)電池陣實(shí)時(shí)的對(duì)日定向，從而提高太陽(yáng)電池陣的發(fā)電效率，為航天器提供源源不斷的電能。

因此，本文設(shè)計(jì)了一種適于多數(shù)軌道特征航天器的新型兩自由度衛(wèi)星太陽(yáng)能電池陣驅(qū)動(dòng)裝置，該裝置對(duì)于太陽(yáng)能電池陣在太空提高對(duì)太陽(yáng)能的利用率，改善航天器的整體性能和壽命具有重大意義。

1 跟蹤原理

該驅(qū)動(dòng)裝置具有兩種可自行切換的跟蹤方式：主動(dòng)跟蹤和被動(dòng)跟蹤。

主動(dòng)跟蹤是通過(guò)編寫(xiě)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)光線跟蹤的一種方式。在主動(dòng)跟蹤過(guò)程中，上位機(jī)根據(jù)衛(wèi)星運(yùn)行的軌道以及衛(wèi)星所處位置的相關(guān)參數(shù)計(jì)算出太陽(yáng)電池陣下一個(gè)預(yù)定位置并將數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器，控制器將上位機(jī)所發(fā)送的數(shù)據(jù)與編碼器檢測(cè)的跟蹤軸位置的差值轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖數(shù)，控制太陽(yáng)電池陣旋轉(zhuǎn)到這個(gè)預(yù)訂位置。

被動(dòng)跟蹤是利用太陽(yáng)敏感器跟蹤太陽(yáng)光線的一種方式。在本設(shè)計(jì)中，被動(dòng)跟蹤包括粗略跟蹤和精確定位。粗略跟蹤是利用太陽(yáng)敏感內(nèi)壁上的普通硅電池光線的照射并轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)并傳送到控制器，控制器根據(jù)所傳送來(lái)的電壓信號(hào)判斷兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)向使得太陽(yáng)電池陣轉(zhuǎn)動(dòng)到底部的四象限硅電池能夠檢測(cè)到太陽(yáng)光斑的位置。而精確定位則是四象限硅電池利用光斑輸出不同的電流信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)放大和濾波后通過(guò)定時(shí)器采樣傳送至控制器中的A/D轉(zhuǎn)換模塊上。根據(jù)A/D的采樣值，控制器將輸出兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)向和所運(yùn)行的脈沖數(shù)去控制太陽(yáng)電池陣轉(zhuǎn)動(dòng)到太陽(yáng)敏感器主光軸與太陽(yáng)電池陣法線平行的位置。

在本系統(tǒng)里，通過(guò)比較太陽(yáng)敏感器轉(zhuǎn)化的電壓信號(hào)值和設(shè)定的跟蹤閉值，控制器判斷系統(tǒng)采用哪種跟蹤方式：當(dāng)太陽(yáng)光照強(qiáng)度較強(qiáng)時(shí)，控制器所得到的電壓信號(hào)值大于跟蹤閉值，系統(tǒng)采用被動(dòng)跟蹤來(lái)捕捉太陽(yáng)光線。當(dāng)太陽(yáng)光照強(qiáng)度較低時(shí)，控制器所得到的電壓信號(hào)值小于跟蹤閉值，系統(tǒng)采用主動(dòng)跟蹤來(lái)跟蹤太陽(yáng)光線。

1.1 主動(dòng)跟蹤方式

對(duì)于主動(dòng)跟蹤，星體計(jì)算機(jī)如何利用衛(wèi)星所在的位置近似計(jì)算太陽(yáng)光線在衛(wèi)星運(yùn)行軌道上某一點(diǎn)的水平角與俯仰角是至關(guān)重要的。為了得到太陽(yáng)光線在軌道上水平角和俯角的直觀解析表達(dá)式，Kalweit引入了地心黃道坐標(biāo)系（圖1），并在黃道坐標(biāo)系下描述衛(wèi)星在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中太陽(yáng)光線的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

定義衛(wèi)星在地心黃道坐標(biāo)系下的軌道根數(shù)如表1。

衛(wèi)星確定運(yùn)行的軌道之后，等相關(guān)參數(shù)就隨之確定。由于黃赤交角的存在和一般是不一樣的，據(jù)軌道動(dòng)力學(xué)的相關(guān)知識(shí)，可以求得和對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

在地心黃道坐標(biāo)系下太陽(yáng)方向的單位矢量表示為：

（1）

通過(guò)坐標(biāo)變換，可以得到太陽(yáng)方向單位矢量在軌道坐標(biāo)系中的表示：

（2）

其中：

通過(guò)如下方程定義太陽(yáng)的方位角和俯仰角：

（3）

結(jié)合（2）和（3）式易得：

從而可得：

其中：k為整數(shù)，，取k為偶數(shù)，時(shí)，取k為奇數(shù)。

1.2 被動(dòng)跟蹤方式

被動(dòng)跟蹤方式主要由太陽(yáng)敏感器和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)配合控制器完成對(duì)太陽(yáng)光線的對(duì)日定向。太陽(yáng)敏感器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

太陽(yáng)敏感器由傳感器和信號(hào)處理電路組成。傳感器由四塊普通硅電池和一塊四象限硅電池組成。A1、B1、C1、D1 四個(gè)區(qū)域分別位于四象限光電池的A、B、C、D四個(gè)象限的正上方。如圖4所示。

傳感器是將太陽(yáng)光線轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，信號(hào)處理電路的主要功能是將對(duì)傳感器傳送來(lái)的電信號(hào)進(jìn)行進(jìn)行處理并經(jīng)過(guò)控制器的輸入端口傳送至控制器的A/D采集模塊。太陽(yáng)敏感器的基本探測(cè)原理是太陽(yáng)光線穿過(guò)通光孔在安裝在四周的普通硅電池上形成光斑，控制器會(huì)控制太陽(yáng)電池陣帶動(dòng)太陽(yáng)敏感器轉(zhuǎn)動(dòng)到光斑落到底部四象限硅電池上的位置，此過(guò)程為系統(tǒng)的粗略跟蹤。只要光斑落到底部四象限硅電池上，系統(tǒng)開(kāi)始對(duì)太陽(yáng)光線進(jìn)行精確跟蹤。由于光斑在四象限硅電池中分布不均勻，四個(gè)象限所產(chǎn)生的電信號(hào)是不同的。系統(tǒng)將根據(jù)四個(gè)象限所產(chǎn)生的不同信號(hào)去計(jì)算太陽(yáng)電池陣法線與太陽(yáng)光線在水平方向和俯仰方向上的夾角并轉(zhuǎn)化成電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖數(shù)，控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)到預(yù)定，此過(guò)程對(duì)太陽(yáng)光線精確定位。太陽(yáng)電池陣主軸上的編碼器實(shí)時(shí)的記錄旋轉(zhuǎn)的角度并判斷步進(jìn)電機(jī)是否在運(yùn)行過(guò)程中失步，以精確跟蹤太陽(yáng)光線。

隨著太陽(yáng)光線的移動(dòng)和衛(wèi)星位置的變化，太陽(yáng)光線與太陽(yáng)電池陣法線的夾角不斷增大。在太陽(yáng)敏感器內(nèi)部所形成的光斑就會(huì)落在內(nèi)壁上的普通硅電池上（如圖5所示），而不會(huì)落在底部四象限硅電池上。此時(shí)系統(tǒng)先對(duì)太陽(yáng)光線進(jìn)行粗略跟蹤。例如，光斑落在B1的區(qū)域內(nèi)時(shí)，B1受到光線的照射產(chǎn)生電信號(hào)送至控制器，控制器根據(jù)該電信號(hào)控制太陽(yáng)電池陣帶動(dòng)太陽(yáng)敏感器在x軸上逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，在y軸上順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，直到光斑落到底部的四象限硅電池上（如圖6所示）。此時(shí)，B1區(qū)域沒(méi)有電信號(hào)產(chǎn)生，系統(tǒng)完成對(duì)太陽(yáng)光線粗略跟蹤。

在太陽(yáng)敏感器內(nèi)上形成的光斑經(jīng)過(guò)粗略跟蹤之后移動(dòng)四象限硅電池上。此時(shí)系統(tǒng)具備對(duì)太陽(yáng)光線精確定位的條件。由于光斑在四個(gè)象限上不均勻分布，四象限光電池輸出大小不同的四個(gè)電信號(hào)。控制器通過(guò)分析這四個(gè)電信號(hào)得出太陽(yáng)電池陣法線與太陽(yáng)光線之間的夾角并把該夾角轉(zhuǎn)化控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖數(shù)，控制太陽(yáng)電池陣旋轉(zhuǎn)到預(yù)定位置。此時(shí)，光斑位于四象限光電池的平面中心（如圖7所示），四象限光電池輸出大小相同的四個(gè)電信號(hào)。系統(tǒng)完成對(duì)太陽(yáng)光線的精確定位。

2 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)采用TMS320F28335型DSP芯片做為控制系統(tǒng)的核心。該芯片能夠以150MHz頻率進(jìn)行工作，且可以實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)運(yùn)算，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行速度。同時(shí)，芯片內(nèi)部集成有串行通信模塊、ePWM模塊、A/D轉(zhuǎn)換器等模塊，可滿(mǎn)足控制系統(tǒng)各項(xiàng)功能要求。圖8為系統(tǒng)的控制框圖。

該系統(tǒng)主要包括：主控制器、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、太陽(yáng)敏感器、光電編碼器、上位機(jī)等。系統(tǒng)能夠完成對(duì)太陽(yáng)光線的正常跟蹤和快速捕捉，在緊急情況下的應(yīng)急歸零，以及衛(wèi)星進(jìn)入陰影區(qū)后的保持鎖定。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的跟蹤控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

（1）系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性且運(yùn)算速度快，利用其內(nèi)部的ePWM模塊簡(jiǎn)單有效地控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)；

（2）通過(guò)設(shè)置不同的參數(shù)，該系統(tǒng)可以應(yīng)用在不同軌道，應(yīng)用靈活且可以實(shí)現(xiàn)地面的遠(yuǎn)程控制；

（3）在主動(dòng)跟蹤的方式中，系統(tǒng)按照編寫(xiě)好的程序控制太陽(yáng)電池陣轉(zhuǎn)動(dòng)，是一種開(kāi)環(huán)控制方式；

（4）跟蹤范圍廣，傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉和跟蹤穩(wěn)定。

而在跟蹤方法方面具有以下特點(diǎn)：

（1）主動(dòng)跟蹤和被動(dòng)跟蹤是兩種獨(dú)立的跟蹤方式，系統(tǒng)可以根據(jù)太陽(yáng)光線的輻射強(qiáng)度判斷采用哪一種跟蹤方式；

（2）如果系統(tǒng)在運(yùn)行的過(guò)程中遇到突發(fā)事件，地面指揮中心可以通過(guò)星體上的上位機(jī)控制太陽(yáng)電池陣轉(zhuǎn)動(dòng)，避免危機(jī)情況的發(fā)生；

（3）被動(dòng)跟蹤是在光輻射強(qiáng)度較強(qiáng)的條件下對(duì)日跟蹤，而主動(dòng)跟蹤可以在任何的氣候條件下對(duì)日跟蹤。也就是主動(dòng)跟蹤在光輻射強(qiáng)度較強(qiáng)的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)被動(dòng)跟蹤的冗余，這對(duì)于要求可靠性高的航天工程具有重大意義。

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