电推进系统推力器供电测试单元设计

马少君，魏 广，李元明

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州 730000）

电推进系统推力器供电测试单元设计

马少君，魏 广，李元明

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州 730000）

电推进系统推力器在研制中需要对电源处理单元的输出参数进行测量。供电测试单元使用线性光耦构成隔离模块，通过隔离模块和高速数据采集系统完成这些信号的测量。文章从设计需求、总体设计、电压信号采样、霍尔电流测量、信号的光隔离传送、隔离变送模块的供电隔离、整机供电隔离、数据采集系统的构造等方面叙述了供电测试单元的设计。特别是对于线性光耦厂商的推荐电路进行了优化设计来提高隔离传输带宽。推力器供电测试单元经过实际验证并取得了良好的应用效果，其隔离传输精度达到了1‰，传输带宽达到了30 kHz，隔离耐压达到了2 500 V，通道间串扰小于60 db。

推力器；电源处理单元；供电测试单元；隔离变送；线性光耦

0 引言

随着长寿命通讯卫星、深空探测等项目需求，电推进系统已成为上述任务飞行器必备的推进手段，星用电推进系统推力器需要使用多个复杂级联的电源完成推力器的功能实现[1]。

上述复杂电源系统称作电源处理单元（Power Processing Unit，PPU），在推力器研制中需要对电源处理单元的输出（电压、电流等参数）的稳态和瞬态特征进行测量。以往采用传统通用仪器仪表对这些信号进行测试，但是由于PPU具有高压、大电流、电源级联复杂等特点，而通用仪表输入对电源、外壳的隔离耐压一般也仅为数百伏特级别，且示波器等瞬态状态测试仪器的表笔、连线、外壳等对地均耐压不足，所以往往通过外加隔离电源或者电池供电，再在仪器仪表外壳单独增加绝缘隔离结构来进行使用，造成设备使用状态不规范，人身安全、设备安全都得不到保证，系统自动化水平低。在电推进系统产品化研制过程中，这些传统的测试手段无法满足电推进系统测试需求，测试手段亟待更新，因而需要搭建一种测试系统（称为推力器供电测试单元），系统需使用高速（高带宽）、高耐压的隔离测量变送模块完成这些信号的变送，再使用高速数据采集系统完成对这些信号的测量。

1 推力器供电测试单元的设计要求

1.1 输入

推力器电源处理单元由A～G是独立的7个电源构成，分别接7个负载，供电测试单元接在电源与负载之间，每个电源分别引入输入正、输出正、电源回线，电源电流测量位置均在电源正线上。其中，电源A、B、C的电源回线地接在一起；电源A的输出正与电源E的输出正接在一起；电源E、F、G的电源回线接在一起；电源D的输出正与电源A的电源地接在一起。连接关系如图1所示。

电源输入正与电源地间的输入电压范围根据不同被测电源有0～1 400 V、0～300 V、0～50 V、0～10 V等多种情况，其中电源A输出电压1 400 V，电源E输出电压120 V，电源D输出电压-300 V，造成电源E、F、G的回线电平高于大地1 380 V；而电源D的回线电平低于大地300 V[2]。

图1 PPU电源关系图Fig.1 Power relationship of PPU

电源A的回线与大地有一个大约十伏左右的钳制电位（电推进系统设计需求），所以对于供电测试单元电源A的回线与大地也需要是隔离的，此外为了防止通道间干扰和环模及其他测试设备对供电测试单元及推力器的干扰，所有线缆均屏蔽，屏蔽须与其他地、壳体绝缘。这些都为供电测试单元的研制提出了通道间高压隔离、各不共地、信号全部浮地等研制要求[3]。

1.2 输出

远端PC显示与存储电压与电流示数及波形，采样速率大于60 K/s。

1.3 指标要求

（1）测量带宽要求（-3 dB衰减）：优于30 K/s；

（2）各被测电源输入输出对信号输出、外壳、屏蔽、接地等隔离耐压：1 400 V；

（3）电压测量精度优于1‰，电流测量精度优于1%。

2 推力器供电测试单元设计

2.1 推力器供电测试单元总体设计

根据以上功能约束和性能要求，供电测试单元由独立的7个高速隔离变送模块、16通道高性能数据采集与处理系统和远端PC机以及供电模块组成，系统框图如图2所示。

供电测试单元需使用高速（高带宽）、高耐压的隔离测量变送模块完成这些信号的变送，再使用高速数据采集系统对这些信号进行采集处理完成测量。市场上的隔离变送器有很多，但是能达到1 500 V以上耐压的产品较少（常见的有MORNSUN公司系列产品），而且普遍带宽很低（以MORNSUN T5540CP隔离变送器为例，-3 dB衰减带宽实测在1 K左右），不能满足系统需要。应对这种需求研制了一种基于线性光耦作为隔离元件完成模拟信号的隔离变送高速（高带宽）、耐压隔离的测量变送模块。

图2 供电测试单元组成图Fig.2 Block diagram of Power supply measurement test unit

成熟的高速数据采集系统方案很多，设备采用基于NI CompactRIO及高速IO的数据采集系统完成了上述供电测试单元的研制，供电测试单元需要对系统瞬态变化进行监测，因而需要测量系统的数据采集速率达到60 k/s的速度，高性能数据采集系统选用NI的CompactRIO配以9 229采集模块来满足要求。数据采集系统通过以太网与远程PC通信。

由于系统对耐压有较高要求，故供电测试单元内部所有电源输入输出线都采用耐压为2 500 V的屏蔽导线。每个变送模块单独加壳，壳体接屏蔽，壳体安装在胶木板（酚醛树脂）上，不与机壳接触。

2.2 高速隔离变送模块设计

2.2.1 模块总体设计

根据以上功能和性能要求，高速隔离变送模块采用高压电阻对被测电源电压进行分压调理、霍尔传感器对被测电源电流进行采样调理，经过线性光耦进行隔离变送后送至输出口，根据上述电路要求，还需配置DC-DC隔离电源等辅助电路，高速隔离变送模块原理如图3所示。

由于推力器对被测电源间的串扰提出要求，故为每一个被测电源的调理隔离模块单独设计印制板，并将每块印制板单独装入隐蔽盒体中，并将盒体与系统屏蔽相连接。调理隔离模块外形为约200 mm×100 mm×60 mm长方形铝合金盒体，前面板布置供电输入和隔离测量输出接口，输入正、输出正、电源回线，PPU电源线从后面板引入，每套供电测试单元被包含7个这样的模块。

图3 高速隔离变送模块原理示意图Fig.3 Schematic diagram of high voltage and high speed isolation conversion module

2.2.2 电压采样及调理电路

高压电压采样使用R180F/C型高压分压电阻，按需求选择阻值及分压比，由于长期工作时功耗应满足降额需求并且不能影响被测电源工作，所以分流电流限制数百微安级，但过大的电阻值会造成分压采样电路带宽特性变差，且由于高压原因无法使用电容补偿，经过折中设计，分压器的电阻值在10 MΩ姆级别，功耗在数十毫瓦级别，保证分压采样电路-3 dB带宽在50 K左右。

通过R180F/C分压电阻将被测电源电压分压至0～+10 V，但是这个信号的输出能力比较弱，不足以驱动线性光耦，所以经过TVS管限幅保护的信号后需要进行跟随，跟随器由±15 V供电的OP-27高速运算放大器构成，速率可以满足系统30 K的带宽要求，电压采样及调理电路原理如图4所示。

2.2.3 电流采样及调理电路

由于系统要求电流测量需要在被测电源输入正线完成，使用采样电阻进行采样会有诸多不便，所以供电测试单元使用霍尔传感器来实现被测电源的电流测量。

图4 电压采样及调理电路原理图Fig.4 Schematic diagram of voltage sampling and modulate circuit

对于较大电流的测量，霍尔传感器采用LEM公司的LA35-NP，通过跳线有多种原边电流值可选，可分别实现35 A、17.5 A、11.75 A、8.75 A、7 A等量程的电流测量，采用±15 V供电，测量精度优于0.5%，线性度优于0.2%。

对于毫安级电流的测量，霍尔传感器采用LEM公司CT0.4-P，原边电流0.4 A，最大原边电流0.8 A，通过对穿线孔穿线圈数的不同，可以灵活设置不同量程，采用±15 V供电，测量精度优于1%，线性度优于0.5%。经过霍尔传感器测量的电流信号转化为电压信号，再经OP-27运放路调理成为0～+10 V的电压信号，电流测量及调理电路原理如图5所示。

图5 电流测量及调理电路原理图Fig.5 Schematic diagram of current measurement sampling and modulate circuit

2.2.4 光隔离电路设计

为提高系统抗干扰能力和安全性，电流和电压采样信号均进行光电隔离，然后送入数据采集系统。隔离电路采用Agilent公司的线性光耦HC⁃NR201为核心设计。HCNR201的原理如图6所示，由发光二极管LED、反馈光电二极管PD1、输出光电二极管PD2组成。当LED通过驱动电流If时，发出红外光（伺服光通量K1、K2），该光分别照在PD1、PD2上，反馈光电二极管PD1吸收光通量的一部分，从而产生控制电流 Il（Il=0.005If）。

图6 HCNR201内部原理图Fig.6 Internal schematic diagram of HCNR201

该电流用来调节If，以补偿LED的非线性，输出光电二极管PD2产生的输出电流I2，与LED发出的伺服光通量成线性比例，令伺服电流增益K1=I1/If，正向增益 K2=I2/If，则传输增益 K3=K2/Kl=I2/I1，K3的典型值为1。该器件的非线性度为0.01%，带宽大于1 MHz，额定隔离电压为8 000 V，但不可以无限期在任意温度下隔离8 000 V电压，连续运行隔离电压为1 414 V[4]。

HCNR201使用同一基板上的两只工艺参数一致的光电二极管实现反馈补偿，且在使用中两只光电二极管工况一致，即使光电二极管光敏特性发生老化也是同步变化，有效克服了一般光耦使用后期老化衰减、线性度变化等缺点，可以保证设备在使用寿命内参数不会发生漂移，保证了传输精度和测量可重复性。

光隔离电路除HCNR201还包含其他辅助器件组成，光隔离电路原理如图7所示。设计使用厂商手册推荐的高精度测量推荐电路，工作原理不再叙述，但是厂商原电路带宽只有1 K[5]。因此供电测试单元对电路进行调整，其中运放由LT1097改用OP27以满足系统30 K/s的带宽要求，此外运放反馈回路上的滤波电容由47 pF和33 pF分别改为4.7 pF和3.3 pF。

2.2.5 模块供电电路设计

隔离电路前后级都需要隔离电源供电，隔离模块供电电路原理如图8所示，模块需要独立的两个±15 V供电，前级供电为左侧的±15 Va，为光隔离电路IC2供电，同时还为测量电流的霍尔传感器供电。后级（测量）供电为右侧的±15 Vb，为光隔离电路IC3供电。DC-DC模块输出配置共模电感，用于降低电源噪声对供电测试单元的影响，同时也避免供电测试单元干扰整个系统的工作。

C9、C10为1 uf（或者高至10 uf）的CBB电容，用以交流接地，消除设备周边或者自身感生进来的50 Hz工频干扰，C9必须为耐压2 500 V以上的CBB电容，因为这个电容体积和成本都比较高，所以如果被测电源或者系统具备这个电容，供电测试单元可以不接，电源D由于是正线与其他电源回线相连，所以测量地浮空，必须配置这个电容保证交流接地，C10为普通CBB电容。

图7 光隔离电路原理图Fig.7 Schematic diagram of optical isolation circuit

图8 隔离模块供电电路原理图Fig.8 Schematic diagram of isolation module supply circuit

2.3 供电测试单元供电模块设计

将被测电源分成了三组，即电源D（回线电平-300 V）；电源A、B、C（回线电平-10～+10 V）；电源E、F、G（回线电平+1 380 V）；由于高速隔离变送模块上的PCB板安装式DC-DC电源模块前后级隔离耐压一般在600 V左右，不能满足电源A、B、C和电源E、F、G回线之间1 380 V的耐压能力，设计中的DCDC模块虽为定制的耐压1 500 V的工业级产品，但是考虑到产品质量和系统安全问题，额外采用了两级隔离供电的方式确保设备安全。即采取了对接在不同回线电平的AC-DC电源模块单独供电的模式，增加一级隔离措施，系统供电电路设计如图9所示。图中C1、C2、C3为1 uf（或者高至10 uf）的CBB电容，同样用以交流接地，消除设备周边或自身感生进来的50 Hz工频干扰，其中C2同样须为高耐压（1 500 V以上）的CBB电容，C1、C3为普通CBB电容。

2.4 高性能数据采集系统设计

供电测试单元对数据的存储要求较高，不允许存在数据丢失的现象，所以供电测试单元采用NI CompactRIO构成高性能数据采集系统。数据采集系统由实时控制器NI cRIO-9022、8槽嵌入式机箱、数据采集模块9222/9229、NITPC-2212触控一体机，LabVIEW软件及相关工具包构成。

NI cRIO-9022实时控制器内置主频533 MHz的微处理器和Vxworks实时操作系统，系统进程调度完全按照优先级进行，不会“死机”。内置2 G闪存用于实时数据存储，可通过USB接口、SD存储模块或网络硬盘等方式扩展数据存储容量，具备千兆网口，系统可靠性高，循环周期抖动在为秒量极。

电压、电流信号经采样、调理、隔离后送入NI CompactRIO数据采集系统，电流信号和电压信号的数据采集采用NI公司的NI9229模块。NI9229模块具有50 kS/s/通道的采样率，±60 V输入范围，24位分辨率（精度优于0.000 1%），crosstalk（1 kHz通道隔离度）达到-130 dB。系统采用4个NI9229模块，配合NI CRIO系统的4槽机箱（或8槽机箱）来进行数据采集，采集系统带宽与精度满足任务要求。

上位机采用便携式PC机，使用以太网与Com⁃pactRIO通讯，可随意布置，采集软件基于LabVIEW开发相应的上位软件来实现信号运算、处理、参数显示、存储、监控、曲线的绘制、参数的设定以及报警等功能。

图9 系统供电电路原理图Fig.9 Schematic diagram of system supply circuit

供电测试单元CompactRIO数据采集系统使用以太网与上位机通讯，还可使用具备防雷能力的商用楼宇以太网交换机中继，可以进一步进行高压隔离，进一步保证设备和人员安全。

供电测试单元的软件开发主要包含：Compac⁃tRIO系统软件、NITPC-2212软件及PC上位机的软件二部分。其中，CRIO-9022系统软件由LV Real time、LV FPGA软件二次开发配置而成，NITPC-2212软件及PC上位机的软件由LabVIEW软件二次开发而成。

CRIO-9022软件完成数据处理，并对测试数据进行初筛，低速率上报一般数据，对依据设定门限对被测信号变化状态的瞬态进行高速捕获并存储。

NITPC-2212软件及PC上位机的软件负责接收CompactRIO上报数据，进行显示和存储。

3 结论

供电测试单元隔离设计耐压1 400 V（经过耐压2 500 V，1 min的耐压测试），前后级完全隔离，可以保证特种推进系统推力器测试环节人员及设备安全。供电测试单元系统自动化程度高，在线测试，操作简单，可以大幅节省推力器测试所需的人力和物力。经过系统测试供电测试单元测试精度高（电压1‰，电流1%）、采样速率高达60 K，通道间串扰低于60 dB，可以完全替代原有桌面测试仪器仪表，满足推力器测试要求。

[1]王少宁，陈昶文，张保平，等.霍尔电推进系统数字化电源处理单元设计[J].航天器工程，2016，25（5）：69-73.

[2]崔铁民，唐福俊.离子电推进系统中的阴极配电与控制[J].真空与低温，2010，16（2）：99-104.

[3]王少宁，成钢，赵登峰.空间离子电推进系统电源处理单元设计[J].真空与低温，2011，17（4）：235-240.

[4]Tan Y，Fan D，Tao Y.Design and Implementation of DSP Ac⁃quisition Circuit Based on Linear Optocoupler HCNR200[J].ElectricalMeasurement&Instrumentation，2006，6：12.

[5]杨居朋，王军民，刘迪仁.基于线性光耦HCNR201双极性信号隔离电路[J].光电技术应用，2009，24（6）：51-54.

DESIGN OF THRUSTER POWER SUPPLY MEASUREMENT UNIT FOR ELECTRIC PROPULSION SYSTEM

MAShao-jun，WEI guang，LI Yuan-ming
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

In the manufacture of Thruster of electric propulsion system，we need to measure the output parameter of power processing unit.This power supply measurement unit has built isolation module by linear optocoupler.Measurements are completed through those signals by isolation module and high speed data acquisition and processing module.This paper describes the design of power supply measurement unit，such as design requirement，overall design，voltage sampling，Hall current measurement，optical isolation transmittal of signal，isolation module power supply，system power supply，data acquisition and processing system，particularly in linear optocoupler to optimal design of the manufacturer’s recommends circuitry for improved transmission bandwidth.Power supply measurement unit has been successfully applied，and good effects were achieved，the isolated transmission accuracy is better than 1‰，transmission bandwidth over 30 kHz，isolated withstand voltage over 2 500 V and crosstalk of interchannel is better than 60 dB.

thruster；power processing unit；power supply measurement unit；isolation conversion；linear optocoupler

TN256

A

1006-7086（2017）05-0285-07

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.05.007

2017-05-26

马少君（1983-），男，兰州人，工程师，主要从事机电驱动控制及测量测试系统的研究。E-mail：msj_cast@163.com。