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.
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(shí)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(jì)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(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，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(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。
1.2 測試點(diǎn)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(diǎn)：
(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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)對原電路的影響，完成測試點(diǎn)優(yōu)化。最終確定的測試點(diǎn)如表1所示。
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(diǎn)的增加。有些故障無法根據(jù)原先的遙測測試點(diǎn)進(jìn)行檢測，BIT設(shè)計(jì)時增加了測試點(diǎn)，可對這些故障進(jìn)行檢測和定位。(2)測試點(diǎn)采樣頻率的提升。原先的遙測測試點(diǎn)采樣頻率過低，導(dǎo)致有些故障無法檢測，BIT設(shè)計(jì)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(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(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。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。
故障診斷模塊利用采集到的測試點(diǎn)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(diǎn)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(jì)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(diǎn)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(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可測試性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺對PCU實(shí)物進(jìn)行可測試性驗(yàn)證，驗(yàn)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。
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(shí)施故障注入試驗(yàn)，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(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(shí)驗(yàn)后，可計(jì)算得到故障檢測率為93.63%，故障隔離率為100%。另外，實(shí)驗(yàn)表明利用BIT系統(tǒng)可同時對PCU的性能進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測。
4 結(jié)論
對某衛(wèi)星PCU進(jìn)行了可測試性設(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，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(shí)時監(jiān)測，為PCU在軌維修、健康管理等奠定了基礎(chǔ)。
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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）