基于DSP的船舶電力系統(tǒng)智能通信電源設(shè)計(jì)

彭仁松

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢430050)

0 引 言

隨著電力電子技術(shù)和船舶技術(shù)的迅猛發(fā)展，種類繁雜、數(shù)量龐多的高端電力電子設(shè)備越來(lái)越多地應(yīng)用在船舶這一重要的交通工具上，保障著船舶的可靠運(yùn)行。然而這些電子設(shè)備的正常運(yùn)行狀態(tài)依靠船員逐一地去監(jiān)視、控制與記錄，勢(shì)必會(huì)耗費(fèi)船員大量的精力與時(shí)間，同時(shí)對(duì)設(shè)備的維護(hù)管理也不利，所以通信設(shè)備在船舶上的使用勢(shì)在必行。

通信設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種被控對(duì)象的集中監(jiān)控，實(shí)時(shí)地更新各種電力電子設(shè)備的狀態(tài)，可以迅速地處理各種非正常工作狀態(tài)和故障情況，提高了對(duì)整個(gè)電力電子設(shè)備的管理效率［1］。

而監(jiān)控高效通信設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)都離不開(kāi)電源的電力供應(yīng)，所以通信電源在監(jiān)控系統(tǒng)中必不可少，可稱之為整個(gè)通信系統(tǒng)的“發(fā)動(dòng)機(jī)”。通信電源如此之重要，那么實(shí)際通信電源的規(guī)格也制定得勢(shì)必越來(lái)越嚴(yán)苛:

1)首要一點(diǎn)要做到能夠長(zhǎng)期可靠地運(yùn)行;

2)輸出電壓的波動(dòng)范圍要求更窄，一般小于1%;

3)功率因數(shù)與效率要求愈嚴(yán);

4)負(fù)載動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求更高

發(fā)展至今，通信電源不僅僅需要提供電力供應(yīng)，而且還需要越來(lái)越多智能的功能，比如發(fā)生故障時(shí)可以自檢發(fā)出報(bào)警信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)遙控、遙測(cè)功能等。

本文主要針對(duì)應(yīng)用于船舶電力系統(tǒng)中的實(shí)際通信電源研究了基于DSP 的設(shè)計(jì)方案［2］。

1 智能通信電源結(jié)構(gòu)

圖1 為智能通信電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，主功率部分包括AC 配電、并聯(lián)整流單元、DC 配電、備用電池組?？刂撇糠种饕獮橹鞴β孰娐饭ぷ鳡顟B(tài)提供監(jiān)控功能，監(jiān)控模塊采用RS485 串口總線一方面監(jiān)視整個(gè)通信電源系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀況，反映到監(jiān)控屏，另一方面根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況，接受遠(yuǎn)程或者近端監(jiān)控上位機(jī)的指令，對(duì)通信電源的帶載進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整?；诒疚难芯恐攸c(diǎn)，下面對(duì)主功率電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行闡述說(shuō)明。

圖1 智能通信電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure diagram of intelligent communication power supply system

1)交流配電。該單元將接入的市電(通常是柴油機(jī))經(jīng)過(guò)相應(yīng)的保護(hù)裝置后輸出至后級(jí)的整流模塊。保護(hù)裝置通常包括帶有遙信功能的浪涌抑制器、自動(dòng)空氣開(kāi)關(guān)、熔斷器等，另外還會(huì)配有檢測(cè)、報(bào)警及顯示功能。

2)整流單元。該單元將AC 配電網(wǎng)絡(luò)提供的AC 電壓整流為48Vdc送入至DC 配電部分，通常在大功率輸出場(chǎng)合通常是由N 個(gè)相同的部分并聯(lián)起來(lái)。以前國(guó)內(nèi)采用晶閘管SCR 運(yùn)用相控整流的方式，由于開(kāi)關(guān)管運(yùn)行于低頻50 Hz，使得整個(gè)系 統(tǒng)功率密度很小，并且對(duì)電網(wǎng)諧波污染大，故絕大部分已逐步被淘汰。

3)直流配電。該部分將整流模塊產(chǎn)生的直流輸出分配到系統(tǒng)不同容量的負(fù)載中;同時(shí)并入蓄電池組一方面可在主功率故障時(shí)為系統(tǒng)提供備用電源，另一方面在電池容量不足的情況下，可通過(guò)直流配電單元蓄能。

2 通信電源總體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)船舶電力系統(tǒng)的交流配電及通信負(fù)載的實(shí)際需求，本文設(shè)計(jì)的通信電源規(guī)格如下:

1)輸入交流電壓為單相220 V，變化范圍±20%;

2)輸出直流電壓為48 V，變化范圍為43 ～58 V;

3)輸出滿載直流電流為20 A;

4)輸出電壓波動(dòng)指數(shù)小于等于±0.2%;

5)整機(jī)功率因數(shù)至少0.99;

6)整機(jī)效率大于等于88%;

7)散熱條件為強(qiáng)迫風(fēng)冷;

8)功率器件最大溫升為40℃。

根據(jù)上述給出的實(shí)際通信電源規(guī)格，選擇最為合適的主功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

由于對(duì)整機(jī)的PF 值有要求，故需要添加PFC電路，對(duì)于該部分電路結(jié)構(gòu)有如表1 幾種方案的比較。

表1 實(shí)現(xiàn)PFC 功能的拓?fù)浔容^Tab.1 The comparison of different topologies for achieving PFC

由于前級(jí)需要為后級(jí)DC/DC 提供穩(wěn)定的直流，且大功率場(chǎng)合通常采用Boost 方案，由于本通信電源瓦數(shù)接近1 000 W，所以選用Boost 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用CCM 的控制模式［3］。

對(duì)于后級(jí)DC/DC 電路而言，各種不同類型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適用條件表2。

表2 DC/DC 拓?fù)浔容^Tab.2 The comparison of different DC/DC topologies

由于本通信電源輸出功率48 ×20 =960 W，為大瓦數(shù)輸出，基于表2 的比較，采用全橋作為DC/DC 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。實(shí)際中為了提高整機(jī)的功率密度，需要將全橋的開(kāi)關(guān)頻率盡量提高，以最大限度地降低磁性元件的重量和體積，但又不能顯著地增加功率開(kāi)關(guān)管的損耗，這就需要用到電源領(lǐng)域流行的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，而最為成熟的要屬PSFB ZVS PWM 直直變換器。所以本電源系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為:CCM PFC+PSFB，如圖2 所示。

圖2 通信電源總體設(shè)計(jì)構(gòu)架Fig.2 The design scheme for the whole communication power supply system

3 數(shù)控電路設(shè)計(jì)

目前許多用于通信領(lǐng)域的高頻電源為純模擬亦或是模擬和數(shù)字兼有的控制模式［4］。盡管模擬控制IC 已相當(dāng)?shù)某墒?，但?duì)于大功率較為復(fù)雜的拓?fù)涠?，仍然存在外圍器件?shù)量龐多、控制線路復(fù)雜，靈活性較差等缺陷。隨著半導(dǎo)體、微電子技術(shù)的發(fā)展，各種專用集成電路如雨后春筍般地出現(xiàn)，并且隨著市場(chǎng)上需求的增大性價(jià)比不斷提高，功能也不斷完善。數(shù)字控制在相當(dāng)大程度上可以免除模擬控制的上述缺陷。采用數(shù)控的高頻開(kāi)關(guān)電源有著以下顯著的優(yōu)勢(shì):

1)數(shù)字化后的信號(hào)，可以盡量降低模擬信號(hào)的傳輸中帶入的干擾，比如磁性器件電磁干擾、開(kāi)關(guān)管通斷噪聲;

2)可以在數(shù)字編程基本不變或者稍作變化的情況下，允許不同硬件系統(tǒng)采用該數(shù)字平臺(tái)實(shí)現(xiàn)新的功能;

3)對(duì)于需要完成相同的計(jì)算功能，可用軟件代碼替代原本的模擬電路，大大地簡(jiǎn)化了外圍電路的結(jié)構(gòu);

4)靈活性好，很多功能的驗(yàn)證可以直接通過(guò)修改軟件代碼的方式，而不用更改硬件電路參數(shù)，比如PID 參數(shù)的整定，大大地提高了研發(fā)人員的工作效率。

基于此，本通信電源采用TI 公司的數(shù)字芯片DSP TMS320F2812 用作主控IC。該芯片150 MHz 的主頻，使得控制器的計(jì)算處理能力得到極大地提升，目前已廣泛應(yīng)用于高功率電源、電機(jī)控制、工控等領(lǐng)域。

3.1 PFC 級(jí)控制

上文中提到PFC 級(jí)電路采用CCM 控制模式，并選用最易于達(dá)到的控制方式——平均電流控制，以滿足規(guī)格中PF 值的要求。

圖3 PFC 數(shù)字控制結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 The block diagram of PFC controlled by digital system

該控制框如圖3 所示，主要由PFC 主功率回路、AD 采集環(huán)節(jié)、驅(qū)動(dòng)電路、PI 調(diào)節(jié)器與DSP 處理器構(gòu)成。與傳統(tǒng)模擬控制器相比，電流與電壓PI調(diào)節(jié)器分別取代了電流與電壓誤差放大器，基于DSP 內(nèi)部精準(zhǔn)的時(shí)鐘，通過(guò)程序代碼來(lái)設(shè)定調(diào)節(jié)器的參數(shù)。

DSP 的AD 口需要采集PFC 的輸入電壓Ui、輸入電流iL和輸出電壓Uo，由于DSP 供電電源與PFC 主功率不共地，故需在所有的采樣信號(hào)前增加一隔離電路。由于要使PFC 輸入電流與輸入電壓同相位，需要跟隨輸入電壓的變化，首先會(huì)將采集到的輸入電壓Ui送至乘法器的一個(gè)口中，另外為給后級(jí)電路提供穩(wěn)定的直流電壓，需要將該級(jí)輸出電壓Uo采集進(jìn)入后與DSP 內(nèi)部的參考電壓比較后經(jīng)PI 調(diào)節(jié)器送至懲罰器的另一個(gè)輸入口。這樣乘法器的輸出一方面具有輸入電壓的相位特性，另一方面具有輸出電壓的幅值特性。乘法器產(chǎn)生的信號(hào)被看作電感電流iL的參考量，電感電流與該值作差后通過(guò)比例積分放大以后送入至全比較器，用來(lái)更新相應(yīng)的比較寄存器中的值，通過(guò)軟件實(shí)時(shí)地將該值賦到PWM 信號(hào)的占空比中，由于該P(yáng)WM 信號(hào)幅值只有3.3 V ，需要通過(guò)隔離驅(qū)動(dòng)以產(chǎn)生用以控制功率MOS 管的驅(qū)動(dòng)脈沖。通過(guò)CCM 模式的平均電流控制方式，使得輸入電流跟輸入電壓具有一致的變化趨勢(shì)，最終達(dá)到同相位的目的，即提高了整機(jī)的PF 值，同時(shí)也穩(wěn)定了輸出直流電壓。

3.2 PSFB 級(jí)控制

圖4 為電路同樣通過(guò)DSP 的模擬輸入接口差分采集輸出電壓Uo與電流Io。采集輸出電流作用實(shí)時(shí)監(jiān)控該電源負(fù)載的情況，而采集輸出電壓則為了構(gòu)成電壓閉環(huán)反饋控制，使輸出電壓穩(wěn)定。由于采樣上述信號(hào)時(shí)會(huì)涉及到采樣頻率的設(shè)置，采樣頻率的選取會(huì)影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。采樣頻率高對(duì)DSP 的處理字長(zhǎng)和計(jì)算精確度要求更苛刻，但會(huì)滿足系統(tǒng)更高的帶寬要求。本通信電源后級(jí)的開(kāi)關(guān)頻率設(shè)定為100 kHz，根據(jù)Shannon 采樣定理，電壓的采樣頻率設(shè)為100 kHz，電流為200 kHz。

圖4 PSFB 數(shù)字控制結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 The block diagram of PSFB controlled by digital system

借助于差分AD 采集到的輸出差分電壓，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路后，輸出到比例積分控制器的輸入口后，基于DSP 內(nèi)部相應(yīng)定時(shí)器的時(shí)基，產(chǎn)生用于移相控制的驅(qū)動(dòng)波形，該驅(qū)動(dòng)的開(kāi)關(guān)頻率為100 kHz。

4 數(shù)控軟件流程

本節(jié)主要針對(duì)基于DSP 的數(shù)字控制進(jìn)行程序部分的設(shè)計(jì)［5］。本系統(tǒng)程序主要包含主程序、模擬采集子程序及中斷服務(wù)子程序。中斷子程序包括硬件檢測(cè)觸發(fā)產(chǎn)生的故障與軟件監(jiān)控產(chǎn)生的報(bào)警。

圖5 基于DSP 的軟件控制時(shí)序圖Fig.5 The sequence diagram of software control based on DSP

進(jìn)入主程序入口，首先要對(duì)各種變量初始化，DSP相關(guān)硬件功能初始化，包括定時(shí)器、AD 口、PWM 口等，還有針對(duì)產(chǎn)生中斷的各子程序的調(diào)用。PFC 輸入電流的軟起控制、各種模擬量的采集、PWM 信號(hào)的產(chǎn)生、PI 調(diào)節(jié)器的參數(shù)均通過(guò)程序來(lái)控制實(shí)現(xiàn)。針對(duì)不同類別的子程序，配置不同的先后次序。優(yōu)先級(jí)順序依次為:保護(hù)→采樣→PMW 驅(qū)動(dòng)信號(hào)→顯示。

針對(duì)主程序的控制時(shí)序圖如圖5 所示，定義系統(tǒng)初始化的狀態(tài)，使硬件狀態(tài)初始化，然后空閑下來(lái)，直至相應(yīng)的中斷發(fā)生;發(fā)生中斷后主程序需要先保存現(xiàn)場(chǎng)，然后執(zhí)行優(yōu)先級(jí)高的中斷子程序，結(jié)束后主程序再恢復(fù)之前保存的現(xiàn)場(chǎng)。

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著電力電子技術(shù)和船舶技術(shù)的迅猛發(fā)展，種類繁雜數(shù)量龐多的高端電力電子設(shè)備越來(lái)越多地應(yīng)用在船舶這一重要的交通工具上，通信設(shè)備在其中起著監(jiān)視、控制與管理其他電子設(shè)備的目的。而通信電源為通信設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供著必備的能量來(lái)源。本文對(duì)于船舶上這一至關(guān)重要的通信電源，根據(jù)其實(shí)際的規(guī)格，選擇了電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并基于DSP 控制芯片設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制電路，并實(shí)施了相應(yīng)的控制策略，最后給出了DSP 的軟件流程圖。本文借助于DSP，充分運(yùn)用現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，極大地縮短了控制方案的設(shè)計(jì)周期，并大大地提高了通信電源的開(kāi)發(fā)效率。

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