徐博寧，白 靜，張 鵬，徐建峰

(1.西北機(jī)電工程研究所， 陜西 咸陽 712099; 2.總裝備部駐咸陽地區(qū)軍事代表室，陜西 咸陽 712099)

自行火炮必須在繼承傳統(tǒng)基礎(chǔ)上，應(yīng)用高新技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展，才能更好地適應(yīng)未來戰(zhàn)爭(zhēng)的需要[1]?，F(xiàn)代自行火炮系統(tǒng)的任務(wù)屬性逐漸趨向于復(fù)雜化與精細(xì)化，使得用電設(shè)備數(shù)量相應(yīng)增加，從而對(duì)供配電系統(tǒng)的可靠性提出了更高的要求。傳統(tǒng)的機(jī)電式配電系統(tǒng)將難以滿足系統(tǒng)工作需要，采用固態(tài)功率控制器(Solid-State Power Controller，SSPC)實(shí)現(xiàn)模塊化的固態(tài)配電技術(shù)是自行火炮系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)。

作為傳統(tǒng)配電方式中的繼電器和過載保護(hù)器的替代，固態(tài)功率控制器的應(yīng)用不僅可以根據(jù)任務(wù)的需求實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的通斷控制，而且能夠在負(fù)載或配電線路出現(xiàn)故障時(shí)，為電源和配電系統(tǒng)提供全面保護(hù)；同時(shí)，固態(tài)配電技術(shù)與自行火炮綜合管理技術(shù)相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)電源系統(tǒng)的統(tǒng)一管理和自主運(yùn)行，為自行火炮系統(tǒng)的管理提供大量有用信息，從而大大提高系統(tǒng)工作的可靠性。

1 固態(tài)配電技術(shù)

SSPC模塊是固態(tài)配電技術(shù)的核心器件，其作用與傳統(tǒng)的斷路器、保險(xiǎn)絲與繼電器串聯(lián)的聯(lián)合體相似，但其功能、性能大大優(yōu)于這些傳統(tǒng)裝置。采用微處理器和外圍電路實(shí)現(xiàn)對(duì)SSPC模塊進(jìn)行控制、與外設(shè)交換數(shù)據(jù)等功能的板卡，稱之為SSPC板。

1.1 固態(tài)配電工作原理

使用了SSPC板的固態(tài)配電模擬系統(tǒng)，其工作原理為：系統(tǒng)上電后，首先SSPC板進(jìn)行自檢和初始化，報(bào)告上電結(jié)果，然后上報(bào)初始化狀態(tài)，此時(shí)，所有SSPC模塊通道均處于關(guān)斷狀態(tài)，若上報(bào)的結(jié)果中有故障，則根據(jù)故障回報(bào)進(jìn)行故障定位、隔離及維修；其次，CPU既可以通過雙余度總線(RS485和CAN總線)接收來自上位機(jī)的指令，對(duì)指令進(jìn)行解析，控制模塊的通、斷，從而形成對(duì)負(fù)載的控制，也可以接收來自SSPC通道控制模塊上傳的負(fù)載信息，如電流、電壓、短路、過流、開路、輕載、空載及模塊工作溫度，并上報(bào)給上位機(jī)。

SSPC板工作原理如圖1所示，其中，異步串行SCI總線是微機(jī)與外設(shè)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)某Ｓ每偩€，由一條數(shù)據(jù)輸入線和一條數(shù)據(jù)輸出線構(gòu)成。信號(hào)線STn為處理器對(duì)SSPC通道模塊的片選信號(hào)，CMDn為處理器與SSPC通道模塊間的指令信號(hào)線。

1.2 優(yōu)點(diǎn)

在自行火炮系統(tǒng)中，采用SSPC模塊的固態(tài)配電技術(shù)與傳統(tǒng)的機(jī)電式配電相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)能夠提高配電的可靠性，具有全面的保護(hù)功能。它能夠快速的零電壓接通或零電流斷開電路而不產(chǎn)生電??；其內(nèi)部無活動(dòng)部件，不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械磨損，故障率低，可靠性高；過載時(shí)按反延時(shí)特性“跳閘”，保護(hù)電氣負(fù)載和設(shè)備線路，并具有電氣隔離措施，抗干擾能力強(qiáng)[2]。

2)減小配電系統(tǒng)的體積與質(zhì)量。采用SSPC替代傳統(tǒng)繼電器，能夠?yàn)樽孕谢鹋谙到y(tǒng)節(jié)省大量空間，減輕配電元件和線路的重量；相比傳統(tǒng)配電箱，作為獨(dú)立板卡，SSPC板方便于系統(tǒng)集成。

3)能夠?qū)崿F(xiàn)配電的統(tǒng)一管理。采用SSPC控制板收集火炮工作時(shí)的大量用電信息，火炮綜合管理系統(tǒng)通過對(duì)信息的提取，能夠?qū)崿F(xiàn)自行火炮系統(tǒng)配電的統(tǒng)一管理。

基于以上幾點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了自行火炮系統(tǒng)內(nèi)部直流28 V電壓的固態(tài)配電仿真設(shè)計(jì)及試驗(yàn)，對(duì)其功能、性能進(jìn)行了全面地摸底和了解。

2 自行火炮系統(tǒng)固態(tài)配電模擬

現(xiàn)代自行火炮系統(tǒng)復(fù)雜、單體眾多，通常以直流28 V作為控制或計(jì)算單元的工作電壓。在試驗(yàn)室，使用直流固態(tài)功率控制板(簡(jiǎn)稱“DC SSPC板”)進(jìn)行12路直流28 V負(fù)載的配電試驗(yàn)，模擬實(shí)現(xiàn)為自行火炮系統(tǒng)內(nèi)部12個(gè)單體工作配電，用來驗(yàn)證固態(tài)配電技術(shù)在自行火炮系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性。結(jié)合選用的DC SSPC板特點(diǎn)，制定了以下具體方案。

2.1 總體配電連接關(guān)系設(shè)計(jì)

由于DC SSPC板上集中了12路配電模塊，所以，對(duì)應(yīng)的就有12路負(fù)載連接接口，DC SSPC板各接口定義見表1，具體的配電連接關(guān)系如圖2所示。

2.2 接口選擇及參數(shù)設(shè)置

通過對(duì)DC SSPC板上通信接口的了解，并結(jié)合自行火炮實(shí)際情況，選擇CAN口為DC SSPC板的對(duì)外通信接口?？紤]CAN的總線型拓?fù)渚哂胁季€簡(jiǎn)單的特點(diǎn)[3]， DC SSPC板與其他單體采用總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，其中通信參?shù)設(shè)置如表2所示[4]。

表1 DC SSPC板各接口信號(hào)定義

表2 通信參數(shù)設(shè)置表

2.3 通信協(xié)議制定

2.3.1 時(shí)序分配和地址碼、屏蔽碼設(shè)計(jì)

根據(jù)自行火炮中CAN總線的實(shí)際應(yīng)用情況，為配電模擬系統(tǒng)中的各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了時(shí)序分配和地址碼、屏蔽碼的設(shè)置[5]。其中為DC SSPC板所分配的時(shí)序?yàn)榈?6 ms(以系統(tǒng)時(shí)鐘上升沿為起始)，地址碼和屏蔽碼設(shè)置如表3所示。

表3 DC SSPC板地址碼與屏蔽碼設(shè)置

2.3.2 數(shù)據(jù)指令設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)工作原理描述，DC SSPC板與綜合管理系統(tǒng)(上位機(jī))之間進(jìn)行通信，內(nèi)容主要包含向綜合管理系統(tǒng)上報(bào)的數(shù)據(jù)和綜合管理系統(tǒng)下發(fā)的指令，具體數(shù)據(jù)指令內(nèi)容如下：

1)用電設(shè)備狀態(tài)信息(向綜合管理系統(tǒng)上報(bào))：DC SSPC板上電之后，報(bào)告1～12路用電節(jié)點(diǎn)與DC SSPC通道的連接關(guān)系，并上報(bào)上電自檢測(cè)的結(jié)果。如存在故障，即發(fā)送SPDA(Secondary Power Distribution Assembly)維護(hù)信息及故障隔離信息幀，信息幀見表4。

表4 用電設(shè)備狀態(tài)信息幀

2)DC SSPC板工作狀態(tài)信息(向綜合管理系統(tǒng)上報(bào))：DC SSPC板進(jìn)入工作狀態(tài)后，每1個(gè)時(shí)鐘周期(20 ms)上報(bào)1次工作狀態(tài)信息，每次只上報(bào)1個(gè)通道，依次報(bào)完12個(gè)通道的工作狀態(tài)信息(240 ms)，間隔2 s后，從第1個(gè)通道開始繼續(xù)重復(fù)之前上報(bào)過程。

其中工作狀態(tài)信息包含工作過程中出現(xiàn)正常/非正常情況下的接通、關(guān)斷、過流保護(hù)跳閘、短路保護(hù)跳閘信息，以及SSPC通道控制模塊上傳的負(fù)載狀態(tài)——短路、過流、開路、輕載信息，還有實(shí)時(shí)變化的通道電壓、電流和模塊工作溫度信息，信息幀見表5。

3)SPDA維護(hù)信息和周期BIT(Built-in test)信息(向綜合管理系統(tǒng)上報(bào))：除了能夠進(jìn)行上電自檢外，DC SSPC板還能夠進(jìn)行SPDA維護(hù)和周期性自檢，周期BIT信息每20 s上報(bào)1次，信息幀見表6。

表5 工作狀態(tài)信息幀

4)通斷控制指令、復(fù)位指令(綜合管理系統(tǒng)下發(fā)信息)：DC SSPC板能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)通道負(fù)載的開通/關(guān)斷/復(fù)位控制，信息幀見表7。

表6 SPDA維護(hù)及周期BIT信息幀

表7 通斷控制和復(fù)位指令信息幀

3 軟件控制界面

本系統(tǒng)上層控制軟件采用Windows+RTX操作系統(tǒng)，以C和C++為開發(fā)語言，開發(fā)環(huán)境使用Tornado2.2，以Tilicon作為圖形開發(fā)工具，以綜合管理系統(tǒng)綜合管理計(jì)算機(jī)為硬件平臺(tái)。完成后的配電顯示與控制界面，如圖3所示。

配電顯示與控制界面主要包含信息顯示部分、通道控制部分。信息顯示部分能夠顯示各通道的開機(jī)自檢、電纜連接、工作(含啟動(dòng)和正常)、短路、過流、空載、輕載、周期自檢和溫度等信息，以及通道當(dāng)前負(fù)載的實(shí)時(shí)電壓、電流值。如圖3中顯示通道5、6、9、11、12正處于開通工作狀態(tài)，其余通道顯示為空載狀態(tài)，其中5通道顯示當(dāng)前電壓值為28.34 V，電流值為0.48 A，溫度為30℃。通道控制部分能夠完成單通道或組通道操控，通過選擇能夠?qū)崿F(xiàn)通道的開通、關(guān)斷和復(fù)位等操作，尤其是組通道操控模式，對(duì)于實(shí)現(xiàn)自行火炮全系統(tǒng)工作“一鍵上電”具有很好的應(yīng)用前景。如圖4所示，顯示12路通道同時(shí)被選中，點(diǎn)擊“發(fā)送”按鍵后，12路通道同時(shí)被開通的情況，其中只有5和12通道連接有負(fù)載，所以顯示有電流值。

4 結(jié)束語

本文對(duì)固態(tài)功率控制器在自行火炮系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)要描述，在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建了自行火炮供配電模擬系統(tǒng)，通過結(jié)合自行火炮系統(tǒng)總線、綜合管理等總體技術(shù)，對(duì)采用了固態(tài)功率控制器的固態(tài)配電技術(shù)進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證。結(jié)果表明，在自行火炮系統(tǒng)中采用固態(tài)功率控制器原理可行，能夠?yàn)橄到y(tǒng)節(jié)省空間、減輕重量，便于系統(tǒng)集成，與綜合管理相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)配電的統(tǒng)一管理和系統(tǒng)工作有用信息的提取，提高了自行火炮系統(tǒng)信息化程度。

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