本文是一篇电力论文，本文选用新型双全桥拓扑，在实现了多任务平滑切换、宽范围多点工作的基础上，进行了控制策略研究。
1 绪论
1.1 研究背景及意义
近几年以来，中国航天进入了创新发展的“快车道”，空间基础建设稳步推进，卫星通讯系统、导航系统等建成开通，“探月工程”圆满收官，中国空间站建设全面开启，“天问一号”实现从地月系到行星探测的跨越，取得了举世瞩目的辉煌成就。未来，中国航天将在航天运输系统、空间基础设施、载人航天、深空探测、发射场与测控方面和空间环境治理等方面稳步推进，加快推进航天强国建设[1]。
推进系统，作为航天器的主要组成部分，承担着动力来源的重任。通常有以化学能为能源的化学火箭发动机、电推火箭、核火箭等其他火箭推进系统。化学火箭是将化学反应所释放出的能量转化为推力，常见的形式是燃烧放热，主要用于起飞、加速至宇宙速度，具有推力大，带载强、工作时间短等特点[2]；但随着航天技术的发展，化学火箭难以满足各类航天任务需求。
电推进技术是一种不依赖化学燃料就能产生推力的技术，利用电能电离推进剂，产生远高于化学火箭产生的喷气速度，可降低推进剂的用量；由于其具有高比冲和寿命长的优势，在国内外航天领域已得到了广泛的应用；主要应用于深空探测主推进、静止轨道通信卫星位置保持和轨道转移、科学观测与试验航天等其他应用及飞行试验。目前国际上常用的电推进以离子式和霍尔式为主[3,4]。
电推进系统主要由推力器、数字控制单元(Digital Control Interface Unit, DCIU)、电源处理单元(Power Processing Unit, PPU)和推进剂储供单元(Xenon Feed System, XFS)组成，如图1.1所示。其中电源处理单元是电推进系统安全、稳定运行的基础，它将太阳能电池板母线电压作为输入，转换为离子推进器所需的各种电压和电流，包括加热、点火和离子加速等，是离子电推进技术的核心[5,6]。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 屏栅电源研究现状
屏栅电源作为PPU中的核心模块，自电推进技术提出以来，世界各国均展开了深入的研究。
国外关于电推进技术的相关研究较早。美国NASA格林研究中心研制的NSTAR-30离子推进器PPU的屏栅电源由4个单机模块组成，每个单机输出电压为300V，采用非谐振全桥变换器，且为硬开关[14,15]。
NASA应用于太阳系探索任务的NEXT离子推进器屏栅电源单模块输出功率为1.2kW，多个模块可并联，如图1.2所示，功率密度为3.0 kW/kg，采用移相/脉宽调制技术和双全桥变换器拓扑，在高压模式下实现了零电压零电流软开关，减小损耗，提高了效率，但在低压输出下，脉宽调制采用硬开关，效率较低[16]。
黎明号继承和发扬了深空1号的探测器设计，拓扑如图1.3所示。屏栅电源输出电压范围为650V-1100V，输出电流范围为0.5A-1.8A，采用多模块串联的设计方案，每个模块输出300V/600W，降低了元器件的电压应力，分散了热耗，提高了可靠性，并且优化了控制策略，根据输出要求，每个模块依次按自身最大功率输出，直至达到输出要求。当其中一个模块失效时，输出被旁路，提高了冗余性[17,18]。
2 屏栅电源双全桥变换器的工作原理与数学模型
2.1 拓扑结构描述
屏栅电源新型双全桥变换器的拓扑如图2.1所示，MOS管S1、S2、S3、S4、阻断电容Cb、谐振电感Lr1和高频变压器T1构成第一桥；MOS管S5、S6、S7、S8、阻断电容Cb、谐振电感Lr2和高频变压器T2构成第二桥；两个全桥电路并联作为逆变输入部分，由整流二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6构成混合整流桥，输出电感Lo和电容Co作为输出滤波部分。
新型双全桥软开关变换器工作在两种模式：占空比模式和移相模式。在占空比模式下，两个全桥并联输入，高频变压器副边并联输出，通过控制占空比来控制输出电压，占空比模式的前半周期和后半周期导通示意图如图2.2(a)和图2.2(b)所示。在移相模式下，两个全桥并联输入，高频变压器副边串联输出，通过控制移相角来控制输出电压，并实现ZVZCS软开关技术，以降低开关损耗，提高变换器的效率，移相模式的前半周期和后半周期的导通示意图如图2.3(a)和图2.3(b)所示。
采用输入并联的方式能有效降低MOS管的电压应力，适合低压大电流输入下的太阳能板输入条件；采用输出串、并联的结构能最大限度地满足推力器在可变推力条件下屏栅电源宽范围电压输出要求[42,43]；采用混合整流桥，不需要额外的元件来防止在换相间隔期间一次电流反向流动，不仅使占空比损耗和导通损耗最小化，而且成本低廉。
2.2 工作模态分析
在对变换器进行模态分析之前，先做一些说明。
(1) 输出电感和输出电容足够大，忽略输出电压纹波和电流纹波； (2) 两台变压器的变比为1:n，谐振电感Lr1= Lr2; (3) 除了开关管的寄生元件外，所有开关管和二极管都是理想的； (4) 在占空比模式下，开关管的最大占空比为0.46，在移相模式下，所有开关管都具有恒定的占空比0.46； (5) Vab和Vcd为超前桥和滞后桥中间点的电压，Vrect为输出整流电压，ip1和ip2为第一桥和第二桥的电流，i D1- i D6是流过对应整流二极管的电流。
逆变侧两个全桥并联输入，所以每个MOS管的耐压均为Vin，耐流为nIo；由于两个半周期的对称性，所以整流二极管D1、D2、D5、D6 的耐压耐流相同，D3、D4耐压耐流相同，所以以D2和D3为代表分析；在占空比模式下，能量通过两个全桥传递到变压器次级，由于变压器次级的极性相同，所以二极管D3的耐压为nV in，耐流为Io，二极管D2的耐压为nV in，耐流为0.5Io；在移相模式下，能量通过两个全桥传递到变压器的次级，由于变压器次级的极性相反，所以变压器副边串联，即二极管D3的耐压为n Vin，耐流为Io，二极管D2的耐压为2nV in，耐流为Io。可以看出，整流侧中间桥臂的电压应力低于其他二极管电压应力的一半，可以采用额定电压较低二极管，降低成本。
3 屏栅电源双全桥变换器的自抗扰控制 .................... 26
3.1 自抗扰控制的基本理论 ........................... 26
3.1.1 自抗扰控制 ................................. 26
3.1.2 线性自抗扰控制 ......................... 29
4 屏栅电源双全桥变换器的滑模自抗扰控制 ............................... 40
4.1 滑模控制的基本理论 ....................... 40
4.1.1 滑模控制的原理 .............................. 40
4.1.2 滑模控制的抖振问题 .................................. 41
5 实验验证与分析 ......................... 48
5.1 实验平台搭建 ........................... 48
5.1.1 硬件设计 .................................... 49
5.1.2 下位机软件设计 ............................... 51
5 实验验证与分析
5.1 实验平台搭建
为验证两种控制器在实际情况下的控制效果，本文基于TMS320F28335核心处理器，设计了一台2kW的屏栅电源样机，如图5.1和图5.2所示，所用到的实验仪器有：直流电子负载、直流电源、示波器，高压差分探头、电流探头、屏栅电源实验样机、组态王上位机等；对样机进行参考突变、负载突变、双模切换等实验，验证控制器的性能。
结论
作为电推进系统电源处理单元的核心组成部分，屏栅电源承担了PPU 80%以上的功率输出。为提高屏栅电源的功率和电压等级，同时提高屏栅电源的控制品质，本文选用新型双全桥拓扑，在实现了多任务平滑切换、宽范围多点工作的基础上，进行了控制策略研究，主要取得的创新性结论如下。
(1) 本文首先研究了新型双全桥变换器的工作原理，分析了两种工作模式（占空比模式和移相模式）下的工作模态；根据应用和结构的相似性，选取了几种拓扑，进行了性能对比分析，表明本文所选用的新型双全桥拓扑更适合屏栅电源高压大功率输出、宽范围多点工作等要求；考虑了输出电容和电感的寄生电阻和有效占空比，建立了两种模式下的小信号等效模型，得到了两种模式之间的数学模型关系，将两种模式之间的切换转换成内部参数的变化，方便后续控制器的设计，为控制策略研究提供理论基础
(2) 屏栅电源在传统模拟PI控制下，响应较慢，难以实现宽范围多点工作和多任务平滑切换，且受到外界干扰或内部参数变化时，输出电压不稳定等问题，本文提出了基于线性自抗扰控制的屏栅电源控制策略，该策略采用了以线性自抗扰控制为电压外环，PI控制为电流内环的双闭环控制结构，通过仿真分析传统双闭环PI控制和线性自抗扰控制在动态性能、稳态性能和抗干扰性能方面的控制品质，得出线性自抗扰控制能实现宽范围多点工作，具有更优良的控制水平。
(3) 为进一步提高屏栅电源的控制精度和控制能力，本文将滑模控制和自抗扰控制的复合控制引入屏栅电源控制系统中，针对电压外环设计了滑模自抗扰控制器，该控制器以自抗扰控制为主题，对输入信号安排过渡过程，提高控制的鲁棒性，同时在误差反馈控制律中引入滑模面和基于指数趋近律的滑模控制律，提高动态性能的同时减弱抖振的影响。通过仿真分析传统PI控制、线性自抗扰控制和滑模自抗
