0 引言

    目前衛星電源控制器(Power Control Unit，PCU)的故障診斷和性能監測由地面系統根據遙測數據來完成，存在診斷實時性和控制能力有限、有些故障和性能無法檢測的問題。同時現階段大多數在軌電源控制器較少考慮故障診斷和性能監測方面的需求，只能提供功率模塊簡單的健康狀態信息，無法對具體的故障進行診斷和定位，也無法對母線電壓紋波等性能進行監測。因此，電源控制器的可測試性設計工作還有待進一步提高^[1-3]。針對這一問題，本文對PCU進行了可測試性設計^[4-6]，基于BIT(Built In Test)技術^[7]實現了PCU在軌故障診斷和性能監測，大大提高了PCU故障診斷的效率和準確性，同時可對PCU性能進行監測，為在軌維修和健康管理等奠定了基礎。

1 PCU工作原理及測試點選擇

1.1 PCU工作原理

    PCU是衛星電源系統的核心設備，起著調節太陽電池、蓄電池和負載之間功率平衡的作用，承擔著為衛星提供穩定一次母線、為蓄電池提供充放電管理功能的重要任務，是衛星全壽命周期內穩定運行的重要保障。

    圖1為S3R架構的電源系統組成圖。系統由太陽電池陣、蓄電池組、負載及PCU組成，其中PCU包括分流調節器（SR）、充電調節器（BCR）、放電調節器（BDR）以及遙測遙控（TMTC）。光照期，PCU通過分流調節器對太陽電池陣進行調節，當負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節器對蓄電池組進行充電。地影期，通過放電調節器對蓄電池組進行放電，為整星提供全調節一次母線。

1.2 測試點選擇

    某衛星PCU采用S3R拓撲架構，由6個分流調節器（SR）、2個充電調節器（BCR）、2個放電調節器（BDR）組成。

    按照以下步驟確定該PCU的測試點：

    (1)故障模式分析。對分流調節器SR、充電調節器BCR、放電調節器BDR等模塊進行故障模式分析。經分析，故障模式包括分流調節電路常分流故障、分流調節電路常供電故障、放電調節器無輸出、放電調節器輸出電流值錯誤、充電調節器無輸出、充電調節器輸出電流值錯誤、充電調節器恒壓控制失效等。

    (2)測試性建模。在故障模式分析、故障傳遞關系分析基礎上，使用測試性建模軟件建立PCU的故障與測試的相關性模型。這些故障模式相關的測試點為主誤差放大器（Main Error Amplifier，MEA）電壓、太陽電池子陣電壓、母線電壓、放電調節器輸出電流、充電調節器輸出電流、蓄電池組電壓等。

    (3)考慮性能監測需求。需要監測的性能為：母線電壓紋波、分流調節器效率、放電調節器效率、充電調節器效率，需要的測試點為母線電壓、太陽電池子陣電壓、蓄電池組電壓、放電調節器輸入輸出電流、充電調節器輸入輸出電流。

    (4)測試點優化。綜合考慮故障診斷和性能監測需求，以故障檢測率和故障隔離率為優化目標，并考慮測試點對原電路的影響，完成測試點優化。最終確定的測試點如表1所示。

    與基于遙測數據的故障診斷相比，采用BIT技術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)測試點的增加。有些故障無法根據原先的遙測測試點進行檢測，BIT設計時增加了測試點，可對這些故障進行檢測和定位。(2)測試點采樣頻率的提升。原先的遙測測試點采樣頻率過低，導致有些故障無法檢測，BIT設計時對采樣頻率進行了提升，可對這些故障進行檢測和定位。

2 系統BIT軟硬件實現

2.1 BIT硬件實現

    如圖2所示，在原PCU各模塊基礎上新增BIT模塊。BIT模塊采用模塊化設計，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，用來運行故障診斷算法、進行通信等；模擬板為高速采樣的FPGA，負責對不同采樣頻率的測試點進行采樣；各模擬板和核心板通過高速背板進行連接。BIT的故障診斷結果和性能監測結果傳輸至1553B通信接口。

2.2 BIT軟件實現

    在微處理器電路中編寫軟件完成故障診斷和性能監測。如圖4所示，BIT軟件包括故障診斷和性能監測任務，具體來講，包括故障診斷模塊、性能監測模塊、數據存儲模塊、數據打包發送模塊和通信模塊。

    故障診斷模塊利用采集到的測試點數據，比較正常工況和故障工況時的差異，差異達到一定閾值或者邏輯狀態相反時認為故障發生。

    性能監測模塊利用采樣的測試點對PCU的關鍵部件性能進行監測，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，應在模塊工作狀態時對性能指標進行評估和計算。

    數據存儲模塊對故障診斷結果、性能監測數據及故障相關數據進行存儲。此處的故障相關數據可取檢測到故障時前后10 ms內的故障相關測試點數據。若數據超出存儲空間則覆蓋最早的存儲數據。

    數據打包模塊則把故障診斷結果、性能監測數據及故障相關數據進行打包。

    通信模塊則把打包好的信息發送至1553B通信接口。

3 實驗驗證

    圖5為增加BIT模塊后的PCU實物圖，使用圖6所示的PCU可測試性實驗驗證平臺對PCU實物進行可測試性驗證，驗證平臺包括太陽電池陣模擬器、蓄電池組模擬器、負載模擬器、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，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、故障檢測和故障隔離成功標志等。故障樣本庫的選擇采用基于準隨機序列的簡單隨機方法從故障模式庫中進行抽樣。其次實施故障注入試驗，每次注入樣本庫中的一個故障，故障注入方法根據故障模式選擇硬件注入或軟件注入。通過對模擬器進行設置模擬衛星在軌工作情況，之后進行故障檢測、故障隔離，故障診斷結果通過1553B通信接口傳送至工控機（同時是綜合電子模擬器）。記錄試驗數據，修復產品到正常狀態，然后再注入下一個故障，直到完成所有故障樣本庫為止。故障測試結果如表2所示，從132個故障模式中隨機抽取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行實驗后，可計算得到故障檢測率為93.63%，故障隔離率為100%。另外，實驗表明利用BIT系統可同時對PCU的性能進行準確監測。

4 結論

    對某衛星PCU進行了可測試性設計，基于BIT技術設計了BIT軟硬件，實現了PCU在軌故障診斷和性能監測，可對PCU故障進行快速檢測和準確定位，同時可對PCU在軌工作時的性能進行實時監測，為PCU在軌維修、健康管理等奠定了基礎。

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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.哈爾濱工業大學(深圳) 機電工程與自動化學院，廣東 深圳518055；2.深圳航天科技創新研究院，廣東 深圳518057）