花偉峰 張婷婷 陳名勝

(上海航天電子技術(shù)研究所,上海 201109)

0 引言

某系統(tǒng)地面電源主要由28V直流電源組成。由于地面電源是供電系統(tǒng)重要組成部分,主要用于地面測試單機設(shè)備供電,所以其工作狀態(tài)直接關(guān)系到系統(tǒng)整個試驗流程中的測試可靠性。本文對系統(tǒng)地面電源向小型化、通用化、智能化方向發(fā)展進行設(shè)計研究,同時還需要兼顧電源系統(tǒng)整體供電冗余度設(shè)計,保證在整個測試流程中電源供電的可靠,并實現(xiàn)不間斷供電的要求。

1 設(shè)計思路

直流電源原理框圖如圖1所示:電源由輸入濾波/控制保護單元、AC/DC模塊(1個或多個)、輸出濾波/控制保護單元、主控板和觸摸屏組成。輸入濾波/控制保護單元可以改善電源輸入的電磁兼容性,并具備可控通/斷和異常保護的功能。AC/DC模塊(一個或多個)是將輸入的交流電轉(zhuǎn)換為負載所需的直流電源。其中20A電源采用1個電源模塊,100A電源采用2個電源模塊并聯(lián),300A電源采用6個電源模塊并聯(lián)。輸出濾波/控制保護單元可以改善電源輸出的電磁兼容性,并具備可控通/斷和異常保護的功能。主控板的作用是將來自上位機的控制命令/來自觸摸屏的控制命令轉(zhuǎn)化為模塊和兩個控制單元可以識別的信號,從而實現(xiàn)遙控/本控的功能。觸摸屏是本地控制的輸入界面,同時也是電源各種參數(shù)及狀態(tài)顯示的窗口。

圖1 直流電源組成原理框圖Fig.1 Principle block diagram of DC power supply

圖2 直流電源系統(tǒng)原理圖Fig.2 System principle diagram of DC power supply

2 工程實施過程

2.1 具體設(shè)計方案

電源主要由新型1U電源模塊、電源監(jiān)控電路、濾波電路、交流、直流配電和相應(yīng)的電子線路以及接口組成。直流電源原理框圖見圖2。

圖3 電源控制電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of power control circuit

圖4 遠程補償切換原理圖Fig.4 Schematic diagram of remote compensation switching

系統(tǒng)的輸入為市電,電源輸入為單相電源, 市電輸入后,接通總開關(guān),電源模塊啟動工作,輸出直流20～45V。

電源主副機可并機運行,當主機故障時自動切換至副機供電,實現(xiàn)不間斷供電。

電源實現(xiàn)三路輸出,分別為模擬電纜輸出、地面供電、電源供電輸出?？稍谑謩?遙控狀態(tài)下實現(xiàn)通/斷操作;電源供電為前級輸出,地面供電、模擬電纜供電為后級輸出。

單片機控制電路主要由輸出控制電路、反饋補償切換電路、顯示電路、保護電路、和通訊電路組成。其中輸出控制電路主要實現(xiàn)地面電源供電、模擬電纜供電等輸出本控及遙控功能以及電源各項參數(shù)設(shè)定(電壓、通訊參數(shù)及功能設(shè)定);反饋補償電路實現(xiàn)地面電源反饋和模擬電纜反饋切換,保證在接通相應(yīng)負載時,反饋點能引入電源,實現(xiàn)線壓降補償。顯示電路主要將采集到的模擬量信號進行處理,并在屏幕上顯示,實現(xiàn)本地電源運行狀態(tài)監(jiān)控。保護電路實現(xiàn)電源保護參數(shù)設(shè)定,當實測值超過設(shè)定值時,立即切換電源輸出,保護供電負載。

2.2 控制電路設(shè)計

電源控制電路以嵌入式控制器32位ARM高性能單片機為核心,連接高分辨率觸摸屏組成觸摸式微型單板控制器,其上運行監(jiān)控處理軟件,電源的電壓、電流等傳感器模擬量通過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)總線傳輸電壓、電流等參數(shù)。高性能單片機對這些數(shù)據(jù)進行處理解析,并將電源狀態(tài)信息通過顯示接口顯示在觸摸屏上。用戶通過觸摸屏發(fā)送控制指令到數(shù)據(jù)處理分類模塊,數(shù)據(jù)處理分類模塊解析后傳到電源控制模塊再通過GPIO接口控制繼電器組實現(xiàn)電源開關(guān)的通斷。遠端上位機可通過網(wǎng)絡(luò)向嵌入式控制器發(fā)送請求實現(xiàn)電源的監(jiān)控,數(shù)據(jù)處理分類模塊接收到請求指令后,向相應(yīng)模塊讀取信息或發(fā)送控制命令從而實現(xiàn)遠端監(jiān)控。用戶可通過參數(shù)設(shè)置模塊設(shè)置參數(shù)[1]。電路原理如圖3所示。

2.3 雙冗余設(shè)計

在地面電源系統(tǒng)的設(shè)計中,采用了雙冗余設(shè)計。單臺電源設(shè)備中的整流模塊采用了N+1冗余并聯(lián)運行方式,模塊自動均流,均分負載,一個模塊故障不影響設(shè)備的輸出。同時,電源輸出端均加裝隔離二級管,可實現(xiàn)雙機并聯(lián)輸出,當主機出現(xiàn)故障時,自動切換至副機輸出,大大提高了系統(tǒng)的可靠性。

圖5 電源保護原理圖Fig.5 Schematic diagram of power protection

電源采用二極管隔離方式并聯(lián),選定一臺為主機,另一臺為副機,主機電壓設(shè)定比副機電壓高0.7V,這樣能保證主、副機電源模塊同時輸出,且因主機電壓高于副機而將副機的輸出端隔離二極管截止,只有主機輸出端二極管V1對外輸出。當主機故障切斷主回路輸出后,副機隔離二極管導通輸出。

2.4 電壓降自動補償及切換

直流電源可以實現(xiàn)長線遠距離供電補償,補償長線引起的線壓降[2],確保電源輸出電壓的穩(wěn)定,補償點分2路,可根據(jù)需要進行切換。原理如圖4。

2.5 保護電路

如圖5,電源的保護功能主要通過單片機控制板來實現(xiàn)。在LED顯示屏主界面中點觸“設(shè)置”按鈕,再點擊相應(yīng)參數(shù)的數(shù)字框,即可方便的設(shè)置保護參數(shù)值。單片機將采樣值與設(shè)置值進行比較,通過IO接口驅(qū)動繼電器進行動作。

2.6 軟件設(shè)計

電源軟件主要涉及內(nèi)部單片機軟件,主要實現(xiàn)電源控制、通訊功能,同時檢查電壓和電流狀態(tài),對異常情況進行保護[3]。流程圖如圖6所示。

圖6 軟件流程示意圖Fig.6 Software flow diagram

3 結(jié)語

本文對某系統(tǒng)地面電源通用化、小型化和智能化方案設(shè)計進行深入的研究,該方案已成熟應(yīng)用于系統(tǒng)上,實現(xiàn)了通用化使用要求,同時新電源體積減少至原電源的三分之一,實現(xiàn)了小型化設(shè)計要求。此外電源所有控制指令和參數(shù)設(shè)定均可通過上位機操作,實現(xiàn)100%遠程控制,滿足電源智能化設(shè)計要求。后續(xù)對地面電源將進一步迭代設(shè)計,滿足更多系統(tǒng)使用需求。