基于FPGA和SSPC的智能配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙　巖，歐連軍，李海偉，張　翔，楊友超

（中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研發(fā)中心，北京　100076）

基于FPGA和SSPC的智能配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙巖，歐連軍，李海偉，張翔，楊友超

（中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研發(fā)中心，北京100076）

航天及航空領(lǐng)域智能配電技術(shù)發(fā)展迅速；配電系統(tǒng)是航天及航空飛行器的重要分系統(tǒng)，其性能的優(yōu)劣直接影響到飛行任務(wù)的成敗，為了提高配電系統(tǒng)的可靠性和靈活性，提出了基于FPGA和SSPC的智能配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從航天及航空飛行器智能配電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā)，具體闡述了該系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)思路及關(guān)鍵技術(shù)，同時分析了采用FPGA、SSPC和總線通信帶來的控制靈活、易于實(shí)現(xiàn)故障隔離和系統(tǒng)重構(gòu)、可靠性高以及系統(tǒng)重量輕等諸多優(yōu)點(diǎn)；該系統(tǒng)已開展了相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，具有廣泛的應(yīng)用前景。

FPGA；SSPC；智能化；配電

0　引言

隨著航天航空技術(shù)的高速發(fā)展，航天飛行器和航空飛行器（以下統(tǒng)稱為飛行器）性能有了很大的提升，飛行器上的設(shè)備負(fù)載及其用電量劇增，且設(shè)備負(fù)載工作時序復(fù)雜，這就對配電系統(tǒng)的可靠性和控制靈活性提出了更高的要求。

目前，在國內(nèi)外飛行器配電領(lǐng)域基本有兩種配電體制：常規(guī)配電體制和智能配電體制［1］。國外早期的飛行器配電系統(tǒng)采用常規(guī)配電體制，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的高速發(fā)展，美國最早在20世紀(jì)70年代初開始研究智能配電技術(shù)，并取得很大進(jìn)展，形成了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。國內(nèi)在飛行器智能配電技術(shù)研究起步較晚，20世紀(jì)80年代末國內(nèi)部分高校開始著手研究智能配電技術(shù)，目前在航空領(lǐng)域諸如飛機(jī)、無人機(jī)等大部分航空飛行器已經(jīng)采用智能配電體制替代常規(guī)配電體制，在航天領(lǐng)域受限于器件等級等多方面因素智能配電技術(shù)發(fā)展緩慢，僅在少部分航天飛行器采用了智能配電體制［12］。

常規(guī)配電體制的核心器件主要采取繼電器、接觸器、斷路器等機(jī)電式配電設(shè)備［34］，控制指令及遙測數(shù)據(jù)采用硬線直連的方式與外系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息交互，常規(guī)配電體制技術(shù)成熟、可靠性高，但其也存在系統(tǒng)重量大、電纜網(wǎng)復(fù)雜、控制不靈活等缺點(diǎn)；智能配電體制的核心器件則主要采用數(shù)字集成芯片、固態(tài)功率控制器（以下簡稱SSPC）等半導(dǎo)體器件，控制指令及遙測數(shù)據(jù)采用總線的方式與外系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息交互，具有可靠性高、控制靈活、負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)集成化、智能化以及故障隔離和系統(tǒng)重構(gòu)等諸多優(yōu)點(diǎn)。針對智能配電體制，本文提出了一種基于FPGA和SSPC的智能配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1　總體方案設(shè)計(jì)

配電系統(tǒng)是飛行器重要分系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)飛行器能源分配、故障監(jiān)測、隔離及恢復(fù)等。本文提出的基于FPGA和SSPC的智能配電系統(tǒng)的控制單元采用ACTEL公司的FPGA芯片，可實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的邏輯控制和數(shù)據(jù)編碼等功能，功率執(zhí)行器件采用SSPC，具有重量輕、響應(yīng)快、抗電磁干擾能力強(qiáng)、壽命長及易于實(shí)現(xiàn)智能控制等優(yōu)點(diǎn)［56］，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖見圖1。

圖1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1主控電路設(shè)計(jì)

主控電路中FPGA采用ACTEL公司生產(chǎn)的 FLASH型FPGA，型號為A3P1000-PQ208 M。該FPGA具有以下特點(diǎn)：1）滿足軍溫條件-55～125℃；2）配置不易失，不易受中子影響；3）基于CMOS工藝的Flash技術(shù)，130 nm，7層金屬；4）1.2～1.5 V核電壓，I/O電壓支持低功耗；5）100萬門系統(tǒng)門；6）多達(dá)504 kbit的雙端口ram；7）支持350M（1.5 V系統(tǒng)）和250 M（1.2 V系統(tǒng)）系統(tǒng)特性；8）內(nèi)部有6個CCC（Clock Conditioning Circuit）塊，每一塊內(nèi)有鎖相環(huán)。

2.2總線通信接口設(shè)計(jì)

飛行器上配電設(shè)備與地面測試設(shè)備以及遙測系統(tǒng)設(shè)備通信接口采用RS-422總線接口，實(shí)現(xiàn)控制指令以及遙測數(shù)據(jù)的收發(fā)功能，與以往硬線方式相比，控制較為方便靈活，電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)簡化且重量輕，圖2為總線通信接口電路示意圖。

圖2　總線通信接口電路示意圖

2.3配電支路設(shè)計(jì)

配電支路設(shè)計(jì)采用SSPC配電模塊，SSPC配電模塊主要分為驅(qū)動模塊、過流短路保護(hù)模塊、電流采集和檢測模塊等，其功能框圖如圖3所示。

圖3　SSPC配電模塊功能框圖

28 V SSPC模塊中功率MOS管選用IRF5M5210，160 V SSPC模塊中功率MOS管選用IRF9640，基本參數(shù)見表1。

表1　功率MOS管基本參數(shù)表

28 V可控支路共計(jì)6路，額定電流分別為10 A、8 A、8 A、5 A、2 A、1 A，160 V可控支路共計(jì)2路，額定電流分別為10 A、5 A，為滿足配電通路電流的Ⅰ級降額，28 V SSPC模塊中均采用了兩只IRF5M5210型MOS管并聯(lián)設(shè)計(jì)，160 V SSPC模塊中均采用了兩只IRF9640型MOS管并聯(lián)設(shè)計(jì)。

以+B1支路為例，配電支路設(shè)計(jì)電原理圖見圖4，F(xiàn)PGA發(fā)出的加電指令和斷電指令經(jīng)過三極管2N2222驅(qū)動控制繼電器K1，加電指令驅(qū)動電路采用并聯(lián)設(shè)計(jì)，斷電指令驅(qū)動電路采用串聯(lián)設(shè)計(jì)，配電支路功率MOS管控制電路采取了軟啟動電路，對抑制負(fù)載上電浪涌電流有一定的作用，圖5為軟啟動電路測試波形。

圖4　配電支路設(shè)計(jì)電原理圖

2.4故障隔離與系統(tǒng)重構(gòu)設(shè)計(jì)

智能配電系統(tǒng)能夠通過硬件和軟件聯(lián)合設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)故障隔離和系統(tǒng)重構(gòu)設(shè)計(jì)。

當(dāng)某負(fù)載出現(xiàn)短路或者過流故障狀態(tài)時，系統(tǒng)通過硬件電路實(shí)現(xiàn)故障負(fù)載的自動切斷，避免影響整個配電系統(tǒng)的癱瘓。實(shí)現(xiàn)故障隔離的硬件電路是SSPC的重要組成部分，即I2t反時限保護(hù)電路和短路保護(hù)電路，詳見圖6。

以+B1支路為例，系統(tǒng)通過電流監(jiān)測器INA196獲取該支路的電流值（已轉(zhuǎn)換成電壓量信號），送給I2t反時限保護(hù)電路和短路保護(hù)電路，I2t反時限保護(hù)電路由積分電路和比較電路構(gòu)成，短路保護(hù)電路由比較電路構(gòu)成，這兩個電路均已提前設(shè)定了不同的閾值，當(dāng)支路電流超過了其設(shè)定閾值時，比較電路會輸出故障信號，I2t保護(hù)電路故障信號和短路保護(hù)故障信號通過二極管隔離后輸出故障信號ZL1B_KP，控制支路MOS管的關(guān)斷，最終實(shí)現(xiàn)故障負(fù)載的切斷隔離。

圖5　軟啟動電路測試波形

圖6　反時限保護(hù)和短路保護(hù)電路原理圖

當(dāng)負(fù)載因出現(xiàn)故障備切斷隔離后，F(xiàn)PGA嘗試4次間隔性地自動發(fā)出故障負(fù)載的加電指令，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)重構(gòu)，故障隔離與系統(tǒng)重構(gòu)流程圖見圖7。

3　試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

該智能配電系統(tǒng)已在地面綜合試驗(yàn)以及全飛行器匹配試驗(yàn)中得到了充分試驗(yàn)驗(yàn)證。

在地面綜合試驗(yàn)中模擬開展了某負(fù)載短路保護(hù)與系統(tǒng)重構(gòu)試驗(yàn)，圖8為短路保護(hù)與系統(tǒng)重構(gòu)試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)。

圖8示波器獲取的波形中CH1為負(fù)載電壓，CH2為短路保護(hù)信號，當(dāng)負(fù)載模擬短路時，負(fù)載電壓由30.2 V變?yōu)? V，系統(tǒng)自動發(fā)出第1次加電指令，由于負(fù)載仍然處于短路狀態(tài)，在系統(tǒng)發(fā)出第1次上電指令后，系統(tǒng)檢測到短路保護(hù)信號，負(fù)載電壓即刻由30.2 V又變?yōu)? V。系統(tǒng)自動間隔1 s發(fā)出4次加電指令，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出第3次上電指令后，負(fù)載模擬解除短路狀態(tài)（即正常狀態(tài)），當(dāng)系統(tǒng)自動發(fā)出第4次上電指令后，負(fù)載電壓保持30.2 V不變，負(fù)載工作恢復(fù)正常。

圖7　故障隔離與系統(tǒng)重構(gòu)流程圖

圖8　短路保護(hù)與系統(tǒng)重構(gòu)試驗(yàn)波形

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證表明，該智能配電系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了配電系統(tǒng)的短路保護(hù)與系統(tǒng)重構(gòu)功能。同時，智能配電系統(tǒng)采用SSPC、 FPGA以及總線通信技術(shù)，不但控制靈活、系統(tǒng)可靠性高，系統(tǒng)重量也大幅度減輕，與傳統(tǒng)配電系統(tǒng)相比，智能配電系統(tǒng)重量減輕約45%。

4　結(jié)束語

智能配電系統(tǒng)采用FPGA作為主控電路，使整個配電系統(tǒng)可靠、高效；采用總線通信技術(shù)，控制的靈活及方便程度大大提高，簡化了電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)，減輕了電纜網(wǎng)重量；采用SSPC配電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了配電系統(tǒng)智能化、輕質(zhì)小型化設(shè)計(jì)，同時也實(shí)現(xiàn)了配電系統(tǒng)的故障隔離與系統(tǒng)重構(gòu)功能。因此，該智能配電系統(tǒng)在航天航空供配電領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用前景。

［1］鄭先成，等.航天器新型固態(tài)配電技術(shù)研究［J］.宇航學(xué)報(bào)，2008，29（4）：1430-1434.

［2］劉紅奎.基于FPGA的固態(tài)功率控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2013.

［3］馬世俊，等.衛(wèi)星電源技術(shù)［M］.北京：中國宇航出版社，2001.

［4］王永謙，等.衛(wèi)星電源系統(tǒng)配置方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.中國空間科學(xué)技術(shù)，1999，10（5）：1-7.

［5］陳春燕，等.飛行器低壓固態(tài)配電技術(shù)研究［J］.中國儀器儀表，2014，6：64-66.

［6］趙雷，王磊，董仲博，等.星載電子設(shè)備浪涌電流抑制以及浪涌電流測試方法 ［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2014，22（9）：2730-2732.

Design of Intellectualized Power Distribution System Based on FPGA and SSPC

Zhao Yan，Ou Lianjun，Li Haiwei，Zhang Xiang，Yang Youchao
（China Academy of Launch Vehicle Technology R&D Center，Beijing100076，China）

Intellectualized power distribution technology for aerospace field is developing rapidly.Distribution system is an important part of the spacecraft electrical system，whose performance is directly related to the success or failure of the mission，in order to improve the reliability and flexibility of the distribution system，the paper proposed a design of intellectualized power distribution system based on FPGA and SSPC.The paper first introduced the development situation of the spacecraft intellectualized power distribution technology，specifically elaborated design ideas of overall program and key techniques，and also analyzed the advantages：flexible control，troubleshooting and system reconstruction，high reliability，low system weight，which were brought by using FPGA，SSPC，bus communication.The system experimentation has been completed，and the results show that this system is steady and reliable，it has comprehensive application foreground.

FPGA；SSPC；intellectualized；distribution

1671-4598（2016）05-0220-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.05.062

TP213

A

2015-11-15；

2015-12-07。

趙巖（1987-），男，山西人，工程師，主要從事供配電及綜合測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方向的研究。