大功率數(shù)字脈沖電源分布式控制網(wǎng)絡(luò)

孫宏杰，魯 偉，陳洪濤

(中國電子科技集團有限公司第十八研究所，天津 300384)

隨著固體激光器與光纖激光器的快速發(fā)展，大功率半導(dǎo)體激光器得到了廣泛的應(yīng)用，大功率半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源技術(shù)已成為高能激光的重要核心技術(shù)[1-3]。激光脈沖電源在大功率、智能化、高精度等方面提出了迫切需求，而數(shù)字電源具有靈活度高、集成度高、動態(tài)響應(yīng)好、可以實現(xiàn)復(fù)雜功能的優(yōu)勢，使數(shù)字電源技術(shù)在航天、軍事等領(lǐng)域電源中的應(yīng)用越來越廣泛[4-7]，同時也成為大功率脈沖電源技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。目前，國內(nèi)關(guān)于小電流、小功率、高穩(wěn)定度的激光數(shù)字脈沖電源技術(shù)研究很多[8]，而大電流、大功率、高穩(wěn)定度的激光載荷用數(shù)字脈沖電源尚處于探索階段。如何解決大功率數(shù)字脈沖電源控制系統(tǒng)中大功率數(shù)字脈沖電源控制方法存在的系統(tǒng)控制流程繁瑣、系統(tǒng)安全可靠性不高、系統(tǒng)容易受到電磁干擾導(dǎo)致系統(tǒng)死機失控、系統(tǒng)兼容性、靈活性不高、維護效率低等問題，對大功率數(shù)字脈沖電源分布式軟件控制方法提出的新的需求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

大功率數(shù)字脈沖電源分布式系統(tǒng)方案如圖1 所示，大功率數(shù)字脈沖電源分布式系統(tǒng)由平臺供電輸入、高功率蓄電池組、蓄電池組接入模塊、電源控制設(shè)備、負載設(shè)備組成，其中電源控制設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)包括星務(wù)計算機網(wǎng)絡(luò)層、同步控制網(wǎng)絡(luò)層、分布式脈沖觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)層(可擴展多個模塊)。高功率蓄電池組采用超高功率鋰離子電池蓄電池作為供電輸入，在激光載荷工作時，蓄電池工作于高倍率放電模式，這樣可以最大限度降低蓄電池組的并聯(lián)數(shù)量，減小、減輕蓄電池組的體積和質(zhì)量。

圖1 數(shù)字脈沖電源系統(tǒng)方案框圖

星務(wù)計算機網(wǎng)絡(luò)層根據(jù)采集到的激光分系統(tǒng)、熱控分系統(tǒng)、電源分系統(tǒng)相關(guān)控制參數(shù)，判斷當前是否滿足激光器出光的工作條件。當滿足工作條件時，根據(jù)工況選擇相應(yīng)的參數(shù)注入同步控制網(wǎng)絡(luò)層，參數(shù)包括工作模式(手動調(diào)試模式、半自動適應(yīng)模式、全自動自適應(yīng)模式)、工作電流檔位、輸出使能控制標志、脈沖時間占空比參數(shù)、脈沖工作頻率、脈沖輸出時間、分布式控制模塊編號及相應(yīng)的使能控制標志，控制同步控制網(wǎng)絡(luò)層同步信號輸出；同時，同步控制網(wǎng)絡(luò)層提供廣播模式和點對點兩種網(wǎng)絡(luò)交互方式，實現(xiàn)脈沖觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)層分布式模塊功率輸出控制；脈沖觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)層將各分布式模塊工程參數(shù)通過總線網(wǎng)絡(luò)反饋至星務(wù)計算機網(wǎng)絡(luò)層。

星務(wù)計算機網(wǎng)絡(luò)層配置參與本工況輸出的分布式模塊編號并使使能模塊控制發(fā)送至同步控制網(wǎng)絡(luò)層，同步控制網(wǎng)絡(luò)層根據(jù)接收到的控制數(shù)據(jù)，設(shè)置相應(yīng)的分布式模塊同步輸出信號，待接收到星務(wù)計算網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送的啟動輸出的控制參數(shù)，啟動分布式模塊同步信號輸出控制并輸出同步信號至脈沖觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)層，控制各個分布式模塊功率輸出控制，級聯(lián)實現(xiàn)500 kW 大功率輸出。

2 分布式控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計的大功率數(shù)字脈沖電源分布式控制網(wǎng)絡(luò)通過星務(wù)計算機網(wǎng)絡(luò)、同步控制網(wǎng)絡(luò)、脈沖觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)三層控制網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，如圖2 所示。

圖2 數(shù)字脈沖電源分布式控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)框圖

(1)星務(wù)計算機網(wǎng)絡(luò)層

星務(wù)計算機網(wǎng)絡(luò)層包括星務(wù)計算機控制電路、RS422 總線通信控制電路、模擬量采集電路。

星務(wù)計算機網(wǎng)絡(luò)設(shè)計采用DSP 為核心的TMS570LC4357微處理器系統(tǒng)，具備雙核控制系統(tǒng)，集成EDAC 功能的SRAM、ROM 等存儲器，包含多路CAN 總線接口、UART(RS422)接口等硬件資源。本系統(tǒng)方案中星務(wù)計算機網(wǎng)絡(luò)層采用RS422 總線通信方式，通過專用RS422 接口芯片以通信波特率115 200 kbps 速度實現(xiàn)與同步控制網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)交互。其中，遙控指令包括工作模式設(shè)置指令、工作電流檔位設(shè)置指令、輸出使能控制指令、脈沖時間占空比參數(shù)設(shè)置指令、脈沖工作頻率設(shè)置指令、脈沖輸出時間設(shè)置指令、分布式控制模塊編號及相應(yīng)的使能控制指令、啟動/停止出光控制指令；遙測參數(shù)包括蓄電池組電壓、放電電流、工作狀態(tài)參數(shù)、單機溫度量遙測等參數(shù)。

星務(wù)計算機網(wǎng)絡(luò)根據(jù)當前電池電量及各個網(wǎng)絡(luò)工作狀態(tài)，決策當前狀態(tài)是否滿足激光載荷單次出光的功率需求，當滿足激光載荷需求時，根據(jù)任務(wù)調(diào)度規(guī)劃，通過RS422 總線發(fā)送啟動/停止出光控制指令，控制系統(tǒng)激光載荷大功率輸出。

(2)同步控制網(wǎng)絡(luò)層

同步控制網(wǎng)絡(luò)層包括遙測數(shù)據(jù)采集電路、同步時序控制電路、RS422 總線通信控制電路、CAN 總線通信控制電路、計算機控制電路。

同步控制網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計采用FPGA 架構(gòu)系統(tǒng)，內(nèi)嵌ARM 核處理器系統(tǒng)，集成ECC 功能的SRAM、FLASH 等存儲器，包含多路CAN 總線接口、UART(RS422)接口、AD 等硬件資源。同步控制網(wǎng)絡(luò)層通過RS422 總線通信接口接收星務(wù)計算機網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送的總線指令數(shù)據(jù)，解析并執(zhí)行相應(yīng)的指令操作，配置同步控制網(wǎng)絡(luò)層工作參數(shù)、啟動/停止出光控制、輪詢脈沖觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)層遙測參數(shù)，同時，將各個分布脈沖觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)層的遙測參數(shù)通過RS422 總線上傳至星務(wù)計算機網(wǎng)絡(luò)層；通過CAN總線發(fā)送脈沖配置參數(shù)至各個脈沖觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)層，待收到遙測輪詢指令時，接收各個脈沖觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)層遙測參數(shù)進行組幀，并支持廣播與點對點兩種控制方式；通過同步時序控制模塊配置參與功率輸出的脈沖觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)層個數(shù)及編號，從而達到靈活配置輸出功率大小。

同步控制網(wǎng)絡(luò)層集成多路同步信號接口，控制各個脈沖觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)層脈沖同步輸出。為了提高同步信號在大功率脈沖電源抗電磁干擾能力，同步控制網(wǎng)絡(luò)層的同步信號采取差分形式傳輸。同時，設(shè)計同步信號有兩次連續(xù)三脈沖信號組成(如圖3 所示)，脈沖觸發(fā)模塊軟件邊沿檢測程序識別邊沿數(shù)量對同步信號進行檢測，首次，連續(xù)三個脈沖提示各個分布式模塊提前做好輸出準備工作，間隔一段時間后同步控制網(wǎng)絡(luò)輸出第二次三脈沖同步控制信號，脈沖觸發(fā)模塊檢測到第二次三脈沖同步信號開始啟動脈沖功率輸出，大大提高系統(tǒng)穩(wěn)定性及同步性。

圖3 同步控制網(wǎng)絡(luò)層同步信號控制時序圖

(3)脈沖觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)層

脈沖觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)層由多級分布式脈沖觸發(fā)模塊構(gòu)成(根據(jù)輸出功率需求進行擴展)，脈沖觸發(fā)模塊包括計算機控制電路、遙測采集電路、同步監(jiān)測電路、PWM 輸出控制電路、CAN總線通信控制電路。

脈沖觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計采用DSP 為核心的TMS320F28335微處理器系統(tǒng)，最高主頻150 MHz，包含CAN 總線接口、PWM控制接口、AD 等硬件資源。本系統(tǒng)方案中脈沖觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)層采用CAN 總線通信接口實現(xiàn)與同步控制網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)交互(包含脈沖參數(shù)配置指令、遙測輪詢指令、遙測參數(shù)數(shù)據(jù))。

脈沖觸發(fā)模塊設(shè)計三路級聯(lián)Buck 電感儲能型電路進行功率輸出，系統(tǒng)根據(jù)AD 采集模塊采集到的電壓、電流遙測信息進行數(shù)字PID 計算調(diào)節(jié)PWM 輸出占空比，從而實現(xiàn)對輸出功率的控制，具體控制原理如下文所述。圖4 為脈沖成形電路示意圖。

圖4 脈沖成形電路示意圖

以單個Buck 電感儲能型電路進行分析可知，Sp1為主功率變換開關(guān)，負責將輸入功率變換為脈沖負載所需的功率；Lp1為拓撲電感，用于主功率變換開關(guān)Sp1在進行功率變換過程中的儲能；Dp1為續(xù)流二極管，用于主功率變換開關(guān)Sp1關(guān)斷時給儲能電感提供續(xù)流回路；Sp2為輔助開關(guān)，為脈沖負載的感性部分和儲能電感提供續(xù)流回路，使得負載獲得較陡的脈沖邊沿；Dp2為輸出隔離二極管，防止可能的反向電流損壞激光器載荷。

通過控制Buck 電感儲能型電路功率開關(guān)Sp1和Sp2的時序控制，可實現(xiàn)陡峭的脈沖邊沿。在脈沖開始初期，Sp1導(dǎo)通，Sp2關(guān)斷，當電感電流上升至較大值時，Sp1工作于PWM 模式，將較大的電感電流值瞬間轉(zhuǎn)移至負載中，負載電流上升邊沿陡峭；而在脈沖結(jié)束時，控制Sp2的關(guān)斷，負載電流瞬間減小，下降沿陡峭。

待接收到同步控制網(wǎng)絡(luò)層的差分同步信號后，開始啟動脈沖輸出，單次脈沖觸發(fā)流程圖如圖5 所示。上電啟動后，設(shè)置相應(yīng)的工作參數(shù)，等待同步信號到來，同步信號到達后，控制PWM1、PWM2、PWM3 開始脈沖輸出，計算脈沖時間是否到達設(shè)置時間，到達設(shè)置時間停止本次脈沖輸出，未到達時間繼續(xù)循環(huán)PWM1、PWM2、PWM3 脈沖輸出。

圖5 單次脈沖輸出控制流程圖

本系統(tǒng)通過采用數(shù)字分布式集中控制，利用了DSP+FPGA+DSP 多系統(tǒng)三級協(xié)同控制網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了500 kW 大功率高品質(zhì)電源輸出控制。

3 系統(tǒng)試驗

依據(jù)本文數(shù)字脈沖電源分布式控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，開發(fā)研制了500 kW 大功率數(shù)字脈沖電源分布式系統(tǒng)，并完成了與蓄電池組、激光載荷的系統(tǒng)聯(lián)試工作，脈沖電源控制設(shè)備與蓄電池聯(lián)試平臺如圖6 所示。

圖6 脈沖電源控制設(shè)備與蓄電池聯(lián)試平臺

大功率數(shù)字脈沖電源分布式控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的三層控制網(wǎng)絡(luò)運行穩(wěn)定，滿足系統(tǒng)對同步控制、分布式控制、脈沖功率輸出控制設(shè)計要求，試驗中脈沖功率輸出如圖7 所示。試驗結(jié)果與系統(tǒng)控制設(shè)計要求符合情況如表1 所示。

表1 試驗結(jié)果與設(shè)計要求符合情況表

圖7 數(shù)字脈沖電源脈沖功率輸出圖

4 結(jié)論

航天激光脈沖載荷電源系統(tǒng)正向著大功率、智能化、多用途的方向發(fā)展，而數(shù)字電源又具有靈活度高、集成度高、動態(tài)響應(yīng)好、可以實現(xiàn)復(fù)雜功能的優(yōu)勢，符合大功率航天激光載荷電源系統(tǒng)的需求。本系統(tǒng)提出的數(shù)字電源分布式控制網(wǎng)絡(luò)可以靈活地根據(jù)使用工況需求配置分布式電源輸出各種模式及參數(shù)，增加了控制系統(tǒng)的靈活性與兼容性，同時設(shè)計調(diào)試模式方便系統(tǒng)維護，提高了系統(tǒng)的可維護性；同步控制信號采用雙層連續(xù)脈沖控制及邊沿檢測策略，防止了大功率輸出下的電磁干擾問題，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，系統(tǒng)的同步性；系統(tǒng)采用三級控制網(wǎng)絡(luò)，減少了各模塊資源調(diào)配復(fù)雜情況，能夠保障系統(tǒng)安全可靠的運行。