Sviluppo di un Modulo Riconfigurabile integrato per Nano Satelliti

Recentemente è cresciuta l’attenzione alla progettazione di satelliti di piccole
dimensioni da parte delle università italiane. In particolare il Politecnico di Torino
ha adottato alcuni standard e si è anch’esso impegnato allo sviluppo di un proprio
satellite.
Il progetto AraMiS (Architettura Modulare per Satelliti), in particolare, costituisce
essenzialmente la prosecuzione ed il miglioramento del precedente progetto
PiCPoT, prevede cioè lo sviluppo di nano e pico satelliti orbitanti in LEO (Low
Earth Orbit) in ambito universitario.
In particolare il progetto AraMiS, oltre agli obiettivi funzionali già presenti nel
precedente satellite, mira a realizzare un satellite modulare ri-­‐configurabile in
diverse forme, nel quale ogni scheda è progettata in modo indipendente dalle altre,
ed allo stesso tempo è in grado di funzionare anche senza le altre. La
comunicazione tra i vari elementi, detti tiles avviene per mezzo di opportuni bus.
La peculiarità di questo progetto è appunto la modularità, ossia i moduli realizzati
hanno ruoli specifici e sono completamente indipendenti, ma in grado, nello stesso
tempo, di lavorare con altri moduli dello stesso tipo o diversi, per aumentare le
prestazioni complessive del sistema. Il progetto viene considerato low-­‐cost, in
quanto utilizza componenti COTS, e sfrutta la riutilizzabilità dei vari moduli
realizzati, riducendo appunto i costi di progetto.
Oggetto di questa tesi è la realizzazione di un modulo AraMiS di power
management, partendo dall’analisi di come questo è stato realizzato nel
precedente progetto PiCpoT, e procedendo con la progettazione, fino alla
realizzazione di un prototipo su circuito stampato, che soddisfi le nuove specifiche.
In particolare questa tesi descrive la realizzazione di un modulo di dimensioni 165
x 330 mm, composto da due circuiti stampati, fissati su una struttura centrale di
honeycomb in grado di ospitare da un lato il maggior numero di celle solari, e
dall’altro il dispositivo MPPT per generare le alimentazioni per il satellite, due
processori ed il maggior numero di connettori per l’aggiunta di eventuali moduli
esterni. In particolare lo stampato esterno avrà le celle solari, mentre quello
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interno, presenterà il microprocessore, i connettori, alcuni sensori e tutta la
circuiteria necessaria a convertire l’energia proveniente dalle celle solari in modo
adeguato, per poi condividerla con il resto del sistema.
Nella fase iniziale sono state analizzate le celle solari ed è stato ricavato e studiato
il loro modello matematico, in modo da poter effettuare alcune simulazioni.
Successivamente per mezzo di simulatori software, valutando le varie alternative,
è stata scelta la configurazione migliore per le celle solari da utilizzare ed anche il
numero di queste, conformemente con le dimensioni del modulo. Sono inoltre state
introdotte opportune accortezze per quanto riguarda la ridondanza, necessaria a
prevenire i problemi dovuti alle radiazioni presenti nello spazio.
A questo punto, scelta la configurazione di celle solari, e note le curve di tensione e
corrente ricavabili da queste, è iniziata la progettazione del prototipo del power
supply alloggiato nel PCB interno. Questo prototipo è basato su un convertitore
switching isteretico, in grado di funzionare sempre nel punto di massima
efficienza, chiamato appunto MPPT (Maximum Power Point Tracker),
trasformando l’energia proveniente dalle celle solari in una compatibile al resto del
sistema ed anche in grado di caricare le batterie per mantenere attivo il sistema in
caso di periodi di “buio”.
Sono state studiate diverse ipotesi per il progetto del convertitore swithcing ed i
componenti necessari a realizzare l’MPPT (Maximum Power Point Tracker), e
dopo varie simulazioni è stato utilizzato un convertitore Buck isteretico con un
opportuno circuito composto da un comparatore ed alcuni transistori per
realizzare il driver ed il controllo del punto di lavoro.
Sullo stesso PCB del convertitore, sono stati inoltre inseriti due microprocessori, i
sensori necessari al corretto funzionamento e per la raccolta dati, ed infine il
maggior numero possibile di connettori per altri moduli plug&play.
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Il seguente elaborato è organizzato come segue:
Capitolo 1 – Introduzione generale al progetto realizzato in questa tesi, con
descrizione dello standard AraMiS e dei vari progetti intrapresi dal Politecnico di
Torino, studio delle condizioni di lavoro e descrizione dei tool software utilizzati.
Capitolo 2 – Descrizione del progetto principale chiamato 1B81 Power
Management Honeycomb tramite diagramma dei casi d’uso: verrà descritto come
il sistema progettato in questa tesi potrà e dovrà essere utilizzato, e verranno
elencate le sue caratteristiche e specifiche.
Capitolo 3 – Descrizione tramite diagramma delle classi del progetto 1B81
Power management Honeycomb e dei suoi sottosistemi.
Capitolo 4 – Descrizione della parte relativa all’acquisizione dell’energia solare
tramite celle solari, chiamata 1B111C Solar Panel Honeycomb, che comprende uno
studio matematico e relative simulazioni delle celle solari.
Capitolo 5 – Descrizione della parte relativa alla gestione e conversione della
potenza, chiamata 1B1121C Primary Switching Buck. In questo capitolo verrà
trattato lo studio e la realizzazione di un dispositivo MPPT in grado di utilizzare
l’energia proveniente dalle celle solari e di trasformarla in alimentazione per il
resto del sistema. Verranno progettate ed analizzate tutte le varie parti che
compongono l’MPPT realizzato con le necessarie simulazioni ed i relativi conti
matematici.
Capitolo 6 – Descrizione del software di controllo utilizzato per il corretto
funzionamento del convertitore MPPT mediante linguaggio C.
Appendici – Riportano gli schemi elettrici ed i layout realizzati con Mentor
Graphics delle schede progettate per il satellite.