基于DSP和CAN總線的熱功率模擬系統(tǒng)

李元明，馬少君，魏 廣，賈旭鵬

（蘭州物理研究所 真空低溫技術與物理國家級重點實驗室，蘭州 730000）

1 前言

在航天器的研制過程中，需要做熱控星（船）熱平衡試驗。熱控星（船）上采用熱控結構件模擬星上設備工作時的熱量分布情況，熱控結構件與實際設備外形相同，內部只裝電阻加熱片。試驗中通過向這些電阻加熱片施加不同的電壓來模擬這些設備工作時的熱量分布情況，對整星的熱控系統(tǒng)性能進行驗證。目前整星（船）上的設備數(shù)量越來越多，有時多達幾百路，若采用外接人工控制電源對這些熱控結構件獨立供電，不僅系統(tǒng)龐大繁雜，而且還需要大量的人力，這種方法非常落后，難以適應大型試驗的需要。

本文介紹了一種基于數(shù)字信號處理（DSP）和控制器局部網(wǎng)（CAN）總線的熱功率模擬系統(tǒng)，是專為星（船）熱平衡模擬試驗而設計的。

2 系統(tǒng)總體方案設計

熱功率模擬系統(tǒng)由1臺工控計算機和77個控制單元及電源組成，每個控制單元控制4路加熱器，電路結構如圖1所示。整體結構由3臺機柜組成。工控機集成了顯示器、鍵盤、鼠標等全部外設，每臺工控機配置有帶紅外隔離的CAN通信板卡。所有控制單元都連接到CAN總線上，組成整個通信網(wǎng)絡。每7個控制單元由1臺AC—DC電源供電。為保證供電平衡，3臺機柜的交流供電分別跨接在三相交流電上。熱功率模擬系統(tǒng)內部由工控機作為控制核心，通過CAN總線與各控制單元通信?？刂茊卧獙h(huán)模設備內每一路的加熱參數(shù)送往工控機，工控機發(fā)送命令到控制單元，調控每一路的參數(shù)。工控機具有良好的人機界面，可以顯示控制單元的各項參數(shù)，并通過鼠標和鍵盤修改控制參數(shù)，設備出現(xiàn)故障時顯示信息并進行語音報警。

電源采用高效率的開關電源，單臺輸出總功率為1500 W，效率大于80%，提供36 V直流電壓，具有過壓、過流及過熱保護功能。

圖1 熱功率模擬系統(tǒng)電路結構Fig.1 Circuit diagram of heat power simulation system

3 控制單元電路

3.1 控制單元電路綜述

控制單元系統(tǒng)內部電路如圖2所示?？刂坪诵臑門I公司的16位高速微處理器TMS320C2407[1]，它的事件管理器用于外部事件的控制，特別適用于脈沖寬度調制（PWM）[2]輸出控制的應用。TMS320C2407輸出4路PWM波同時控制4路功率驅動電路，通過調整每路PWM波的占空比改變輸出功率，實現(xiàn)對加熱器的功率調控。采用隔離方式測量加熱器的電流，計算加熱器的功率。為了保持輸出功率的穩(wěn)定性，采取閉環(huán)控制：當實際功率超出額定范圍時，軟件自動調節(jié)PWM波的占空比以穩(wěn)定輸出功率?？刂茊卧O(jiān)測加熱器的工作狀態(tài)，出現(xiàn)異常時上報故障信息。每個控制單元都有自己的物理地址，通過CAN總線與工控機通信，接收工控機的命令調控每路功率驅動電路的參數(shù)，并返回加熱參數(shù)到工控機。功率驅動電路主要由一只大功率MOS開關管組成，在PWM波的控制下處于開關狀態(tài)，開關脈沖經(jīng)濾波后變成脈動直流為加熱器供電。相對于線性電路，開關控制將大大降低電路的損耗，提高電路的效率。

圖2 控制單元內部電路圖Fig.2 Circuit diagram of control unit

3.2 CPU周圍電路

CPU周圍電路以TMS320C2407為核心，內部集成了16 kB的Flash作為程序存儲器。外掛64 kB的數(shù)據(jù)存儲器 CY7C1021V，為保證電路可靠復位，采用專用復位監(jiān)測電路MAX813，8位撥碼開關的狀態(tài)代表本控制單元地址編碼。TMS320C2407通過事件管理器EVA[1]輸出4路PWM波，用發(fā)光管顯示控制單元的工作狀態(tài)、通信狀態(tài)以及每路的故障狀態(tài)。它的內部有10位A/D轉換器，4路電流測量信號分別送入4路A/D通道（即ACH0～ACH3），實現(xiàn)對4路功率驅動電路的電流測量，最終得出功率指標。TMS320C2407為3.3 V供電，外圍部分電路采用5V供電，中間的連接信號必須采取電平匹配。

3.3 驅動輸出、測量、校準及閉環(huán)控制電路

圖3為單路PWM驅動、濾波及電流測量電路。來自DSP的PWM信號通過光耦隔離后控制MOS管IRF540的通斷，使其處于開關狀態(tài)，改變PWM波的占空比可改變MOS管的導通時間，進而控制加熱器的功率。開關脈沖通過L1、C17、V1等濾波電路后變換為紋波較小的直流脈動信號為加熱器供電。

圖3 單路PWM驅動、濾波及電流測量電路Fig.3 PWM drive, filter and current measurement circuit for one channel

加熱器自身為純電阻，材料為康銅絲，性能非常穩(wěn)定，溫度變化率為5×10-6℃。在工作過程中電阻的變化可忽略，加熱器的功率可基于電流測量計算。平均功率的定義為：=I∞2R ，其中，I∞為電壓的均方根值（真有效值）。由于疊加于直流上的紋波波形會隨著占空比的變化而改變，為了保證測量可信度，電流傳感器應選用真有效值型。在加熱功率分配器的設計中，我們采用維博WBI125E01型交直流通用電流隔離傳感器，量程0～5A，傳輸比為1∶1，輸出0～5V直流信號，可以直接送入模數(shù)轉換器。該傳感器是基于積分電路的原理，對波形不敏感，電流信號測量精度為±0.5%，具有國家計量認證標志[3]。

對于上述測量系統(tǒng)，我們使用具有電流真有效值測量功能的ESCORT 3146A臺式多功能表來對系統(tǒng)的測量值進行校準。ESCORT 3146A是一只由臺灣的富貴儀器公司生產(chǎn)的5-1/2位多功能表，具有測量周期為20 Hz～100 kHz交直流電壓、電流信號有效值的能力。經(jīng)校準，測量精度滿足要求。

圖4為單路閉環(huán)測控回路圖。由于加熱器的電阻固定不變，只要能穩(wěn)住電流即可控制功率，所以功率閉環(huán)控制通過電流來實現(xiàn)。電路確定后，開關管的損耗及附加引線損耗基本固定，輸出功率的變化主要由供電電源的波動引起。技術要求輸出功率應穩(wěn)定在±1.5%以內，控制精度不算太高。為了避免控制動作過于頻繁，消除由此引起的振蕩，本系統(tǒng)采用了帶死區(qū)的PID控制方式，誤差在±1.5%范圍以內可不作調整；若超出精度范圍，調控輸出功率直到輸出功率滿足設定值的要求。經(jīng)過反復試驗，實際的閉環(huán)控制程序中，積分項系數(shù)和微分項系數(shù)均選為0，實際上是一種比例控制方式，比例系數(shù)KP要通過試驗仔細選取，KP過大易導致不穩(wěn)，過小將延長閉環(huán)時間。設定電流由工控機通過設定功率和給定的電阻計算后下發(fā)給控制單元。

3.4 通信接口電路

為保證系統(tǒng)可靠工作，通信接口電路尤為重要。CAN驅動接口芯片選用了PCA82C250T，接收信號RXD和發(fā)送信號TXD與DSP之間采用光耦隔離，由于DSP采用3.3 V供電，PCA82C250T采用5V供電，所以還要進行3.3 V和5V之間的電平匹配。通信總線采用屏蔽雙絞線，特性阻抗為120 ?，因此在CAN網(wǎng)絡傳輸線的始端和末端應各接1只120 ?的匹配電阻，以減少線路上傳輸信號的反射?？偩€中還接入了信號限幅二極管，分別由7 V和12 V穩(wěn)壓二極管反串連接，以保證將總線中的共模干擾信號幅度限定在-7～+12 V之間，進一步提高抗過壓的能力。

圖4 電流閉環(huán)測控回路Fig.4 Closed loop for current measurement and control

4 系統(tǒng)軟件

4.1 工控機軟件

工控機軟件采用VC語言編制，程序主要包括人機交互界面、數(shù)據(jù)庫、通信及計算等模塊。通過CAN總線與各控制單元通信，以巡檢方式獲取每路加熱器的參數(shù)，以程控或手控方式設置每路的參數(shù)，實現(xiàn)對控制單元的測控。程控方式下，在試驗前創(chuàng)建包含所有程控支路的功率、持續(xù)時間等參數(shù)的文件并導入到計算機，該文件實際上就是每一路的控制曲線；試驗開始后以工控機的時間為基準定時輸出每一路的參數(shù)。加熱器以及引線的電阻被輸入到工控機，根據(jù)設定功率可計算出設定電流；根據(jù)實測電流計算加熱器的實際輸出功率以及引線的損耗功率。系統(tǒng)定時自動記錄每路的參數(shù)，定時刷新顯示參數(shù)，發(fā)生故障時窗口顯示并進行語音提示。

4.2 控制單元軟件

每路控制單元用16位微處理器控制，主要完成與上位機的通信功能，根據(jù)工控機提供的設定電流調控每路的參數(shù)，測量4路功率驅動電路的電流，實現(xiàn)電流的閉環(huán)控制，進而達到控制功率的目的。圖5是主程序的流程圖。程序中還有PWM參數(shù)刷新子程序、CAN中斷子程序、模/數(shù)轉換子程序、故障處理子程序、閉環(huán)控制等子程序。在軟件設計中采用了硬件“看門狗”，對關鍵指令采取冗余措施，非程序區(qū)布置軟件陷阱，區(qū)分冷啟動和熱啟動，在熱啟動時維持原參數(shù)運行。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Flowchart of the main program

4.3 通信協(xié)議

根據(jù)熱功率模擬系統(tǒng)實時性的情況，通信速率設定為19.2 kb/s，采用CAN標準信息幀傳輸數(shù)據(jù)，協(xié)議定義了工控機和每個控制單元以及單元內部每一路的地址，規(guī)定了數(shù)據(jù)查詢、電流設定、故障報警、故障清除以及關機等命令的編碼，其中系統(tǒng)關機命令采用廣播方式，工控機和各個控制單元之間依據(jù)通信協(xié)議[4]實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

5 可靠性、安全性及可維修性

熱功率模擬系統(tǒng)是專為星（船）大型熱平衡模擬試驗而設計的，為保證系統(tǒng)能長期連續(xù)穩(wěn)定可靠地工作，在產(chǎn)品電路設計、結構設計、工藝設計、軟件設計以及生產(chǎn)制造的全過程中應嚴格貫徹可靠性設計的原則。關鍵元器件采用了I級降額和強制風冷措施，對電路的各個環(huán)節(jié)采取了相應的EMC措施，以保證系統(tǒng)自身穩(wěn)定工作的同時不會干擾參與試驗的其他設備。

熱功率模擬系統(tǒng)采用220 V/50 Hz供電，絕緣電阻等安全指標均滿足相關安全標準要求，對反串到電網(wǎng)的噪聲有抑制功能，可減少系統(tǒng)對電網(wǎng)的干擾。機柜布線時，AC220V和大電流引線均采用雙層絕緣，功率輸出線采用耐高溫及阻燃特性好的引線。對每個機柜采取安全接地措施。

控制單元采用抽屜式結構，自帶電源開關，若出現(xiàn)短路故障時自動斷開供電，不影響其他單元工作；若出現(xiàn)其他故障，可人工斷開開關，故障單元可現(xiàn)場插拔更換，維修操作簡單方便。

6 結束語

熱功率模擬系統(tǒng)配置靈活，可靠性高，可以長時間連續(xù)工作，維修方便，自動化程度高，可以大大減少試驗過程中的工作量。系統(tǒng)總輸出功率不小于10 kW，單路輸出功率0～100 W可調；輸出功率精度1.5%，每路輸出功率按照預先設定好的程序輸出；同時顯示每一路的電壓、電流、功率及短路、斷路報警信息，具有視窗操作界面、數(shù)據(jù)存儲查詢以及曲線繪制功能，輸出路數(shù)多達300路（也可根據(jù)試驗規(guī)模的大小增加或減少路數(shù)），只需一名人員便可完成所有的試驗管理工作，大大減少了工作量。本系統(tǒng)已多次參與了大型航天器的熱平衡模擬試驗，在試驗過程中設備工作穩(wěn)定正常，功能適用，操作靈活方便，為試驗的圓滿完成發(fā)揮了積極的作用。

（References）

[1]劉和平.TMS320LF240X DSP結構、原理及應用[M].北京航空航天大學出版社, 2002

[2]王小明.電動機的DSP控制[M].北京航空航天大學出版社, 2002

[3]成都維博電子有限公司產(chǎn)品手冊[G], 2007

[4]馬少君, 李元明, 等.加熱功率分配系統(tǒng)設計[J].真空與低溫, 2007(增刊): 272-276