Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка и исследование бортовой энергопреобразующей аппаратуры с микропроцессорной системой управления и мониторинга космических аппаратов систем связи, дистанционного зондирования Земли и геодезии

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
система электроснабжения, солнечные батареи, космический аппарат, радиационная стойкость, полупроводниковый преобразователь, карбид-кремниевые полупроводниковые приборы, нитрид-галлиевые полупроводниковые приборы, мягкая коммутация, электромагнитная совместимость, микропроцессорная система управления, импортозамещение

Цель проекта:
1. Решается задача по разработке комплексного подхода при проектировании новых современных высокоэффективных образцов функциональных узлов энергопреобразующей аппаратуры (ЭПА) с отказоустойчивым микропроцессорным управлением (МП) для космических аппаратов (КА). 2. Создание научно-технического и методического обеспечения для разработки перспективной конкурентоспособной технологии проектирования энергопреобразующей аппаратуры с отказоустойчивым микропроцессорным управлением и мониторингом для космических аппаратов систем связи, дистанционного зондирования Земли и геодезии, обеспечивающей достижение удельной мощности не менее 450 Вт/кг, КПД не менее 97 % и уровня собственных высокочастотных пульсаций не более 500 мВ.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Основные планируемые результаты:
- Для космических аппаратов разрабатывается концепция построения интеллектуальной системы электропитания с микропроцессорным управлением на базе последних достижений в области материаловедения, физики полупроводников, силовой электроники и теории автоматического управления.
- Разрабатываются с преимущественным использованием отечественной электронной компонентной базы схемы полупроводниковых преобразователей электрической энергии с минимальными электрическими потерями и эффективными, с точки зрения быстродействия и минимизации перетоков неактивной мощности, алгоритмами управления. Синтезируются имитационные математические модели в современных программных средах для их эмуляции.
- Синтезируется архитектура отказоустойчивой микропроцессорной системы управления и мониторинга энергопреобразующей аппаратуры для космических аппаратов. Разрабатываются преимущественным использованием отечественной электронной компонентной базы принципиальные схемы микропроцессорной системы управления и мониторинга. Синтезируются алгоритмы управления, разрабатывается программное обеспечение.
- Разрабатываются математические модели системы электропитания КА в целом с учетом первичных источников и накопителей электрической энергии КА.
- Разрабатываются методики анализа и параметрического синтеза преобразователей электрической энергии и регуляторов микропроцессорных систем управления.
- Разрабатываются экспериментальные образцы ЭПА с МП управлением.
2. Разработанные в процессе выполнения ПНИЭР методы проектирования и анализа, математическое описание, имитационные модели, алгоритмы управления, программное обеспечение, схемы энергоэффективных силовых модулей для энергопреобразующей аппаратуры КА и отказоустойчивой микропроцессорной системы управления и мониторинга электроснабжения КА, экспериментальные образцы должны быть предназначены для разработки новой технологии проектирования, изготовления и испытаний энергопреобразующей аппаратуры КА с удельной мощностью не менее 450 Вт/кг, КПД не менее 97 % и уровнем собственных пульсаций не более 500 мВ.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1.а. Разработка новых схемотехнических решений при построении преобразователей энегрии ЭПА КА, обеспечивающих повышение удельных энергомассовых характеристик до 450 Вт/кг и более за счет:
- перехода на новую элементную базу с использованием полупроводниковых приборов на основеSiC, GaN;
- повышения рабочей и эквивалентной частоты преобразования;
- использования новых принципов конструирования.
Уменьшение тепловыделения и повышение КПД до 97 % за счет:
- перехода на новую элементную базу с использованием полупроводниковых приборов на основеSiC, GaN;
- использование принципов мягкой коммутации и резонансных преобразователей;
- применения модульного принципа построения.
Снижение уровня электромагнитного излучения за счет:
- использование принципов мягкой коммутации и резонансных преобразователей;
- применение новых пакетов прикладных программ проектирования высокочастотных устройств
силовой электроники.
Разработка и внедрение отказоустойчивой микропроцессорной системы управления и мониторинга ЭПА за счет:
- использования опыта проектирования цифровых контроллеров коллективом исполнителей ПНИЭР по управлению и мониторингу с помощью микропроцессорных систем устройствамисиловой электроники;
- максимального использования отечественных микропроцессорных устройств;
- разработки методов прогнозирования состояния энергопреобразующей аппаратуры.
1.б. Разработка методик проектирования отказоустойчивой ЭПА с микропроцессорным управлением и мониторингом системы электропитания КА.
1.с. Разработка методик анализа устойчивости микропроцессорной системы автоматического регулирования прибора ЭПА МП.
2. Обладающими научно-технической новизной являются следующие предлагаемые решения:
- схемотехнические решения с использованием радиационно-стойких полупроводниковых приборов на основе Si, SiCи GaN;
- использование новых подходов к конструированию устройств силовой электроники с использованием принципов построения СВЧ систем;
- использование мягкой коммутации силовых ключей и применение модульного принципа построения с алгоритмами, минимизирующими перетоки неактивной мощности между источником электрической энергии и нагрузкой;
- синтезированные алгоритмы управления полупроводниковыми преобразователями основанные на применении алгебры кватернионов (супер комплексных чисел);
- разработанные методы прогнозирования состояния энергопреобразующей аппаратуры.
3. Схемотехнические разработки полупроводниковых преобразователей электрической энергии с использованием выше названной элементной базы являются в РФ пионерскими в части их использования на космических аппаратах. Предлагаемые в настоящее время алгоритмы управления не имеют зарубежных аналогов и должны быть запатентованы.
4. Возможный путь достижения заявленных результатов обеспечивается совокупностью следующих шагов:
- разработка адекватных имитационных моделей, с учетом радиационной стойкости элементов и конструкции в целом;
- синтез силовых схем энергопреобразующей аппаратуры с учетом параметров источников и потребителей электрической энергии, с преимущественным использованием отечественной элементной базы, схематехника должна обеспечивать устойчивость к внешним воздействиям, включая к специальные;
- имитационное моделирование силовой схемы в номинальных и аварийных режимах, синтез параметров с учетом технологического разброса параметров и дрейфа от внешних воздействий, минимизация номенклатуры используемой электронной компонентной базы и пассивных элементов;
- синтез алгоритмов управления преобразователями электрической энергии и бортовой системы в целом, используя элементы искусственного интеллекта;
- синтез принципиальной схемы микропроцессорной системы управления с использованием отечественных микроконтроллеров, обеспечивая заданный уровень надежности, разработка программного обеспечения;
- разработка имитационной модели системы с учетом дискретного характера измерений, вычислений и воздействий силовых полупроводниковых ключей;
- синтез алгоритмов управления системой в целом с векторным критерием реализации основных характеристик и параметров, разработка программного обеспечения;
- разработка конструкторско-технологической документации на изготовление пилотного образца системы;
- изготовление пилотных образцов системы, настройка и проведение комплексных электрических, механических и температурных испытаний;
- коррекция конструкторско-технологической документации;
- получение соответствующей литеры для промышленного производства.
Индустриальный партнер настоящей разработки является изготовителем настоящих систем и одновременно их потребителем, что при успешном выполнении выше приведенного сценария гарантирует доведение до потребителя ожидаемых научных и научно-технических результатов.



Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Области применения планируемых результатов:
-электротехника и силовая электроника;
-цифровые системы управления импульсными преобразователями электрической энергии;
-аэрокосмические объекты с автономным электропитанием (космические и летательные аппараты);
-солнечнаяфотовольтаика и системы накопления электрической энергии.
2. Перспективные космические аппараты систем связи, дистанционного зондирования Земли и геодезии, разрабатываемые и выпускаемые ОАО ИСС им академика М.Ф. Решетнева
3. Предполагается влияние результатов проекта на интенсификацию работ в электронной промышленности в части серийного выпуска радиационно-стойких полупроводниковых приборов на базе SiCи GaN и DSP процессоров. Кроме этого, предполагаются изменения в технологии проектирования энергопреобразующей аппаратуры для космических аппаратов.
4. Работы в рамках проекта проводятся с привлечением большого числа магистрантов и аспирантов, что стимулирует кадровый рост отечественной приборостроительной промышленности. По результатам работ предполагается проведение международных школ-семинаров. Публикация статей в высокорейтинговых изданиях и выступление с докладами на значимых международных конференциях. конференциях Значительно модернизируется материально-техническая и информационная структура института силовой электроники НГТУ.

Текущие результаты проекта:
Осуществляется работа в соответствие с планом-графиком на первый этап 2015 года. Проводится аналитический обзор современных схемотехнических решений системы электропитания с микропроцессорным управлением на базе последних достижений в области материаловедения, физики полупроводников, силовой электроники и теории автоматического управления. Выполняются работы по патентному поиску.