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(shù)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(jié)構(gòu)件模擬星上設(shè)備工作時的熱量分布情況，熱控結(jié)構(gòu)件與實際設(shè)備外形相同，內(nèi)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(shè)備工作時的熱量分布情況，對整星的熱控系統(tǒng)性能進(jìn)行驗證。目前整星（船）上的設(shè)備數(shù)量越來越多，有時多達(dá)幾百路，若采用外接人工控制電源對這些熱控結(jié)構(gòu)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(yīng)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(shè)計的。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

熱功率模擬系統(tǒng)由1臺工控計算機(jī)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(jié)構(gòu)如圖1所示。整體結(jié)構(gòu)由3臺機(jī)柜組成。工控機(jī)集成了顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)等全部外設(shè)，每臺工控機(jī)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(luò)。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(jī)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(nèi)部由工控機(jī)作為控制核心，通過CAN總線與各控制單元通信。控制單元將環(huán)模設(shè)備內(nèi)每一路的加熱參數(shù)送往工控機(jī)，工控機(jī)發(fā)送命令到控制單元，調(diào)控每一路的參數(shù)。工控機(jī)具有良好的人機(jī)界面，可以顯示控制單元的各項參數(shù)，并通過鼠標(biāo)和鍵盤修改控制參數(shù)，設(shè)備出現(xiàn)故障時顯示信息并進(jìn)行語音報警。

電源采用高效率的開關(guān)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(hù)功能。

圖1 熱功率模擬系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)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(nèi)部電路如圖2所示。控制核心為TI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(diào)制（PWM）[2]輸出控制的應(yīng)用。TMS320C2407輸出4路PWM波同時控制4路功率驅(qū)動電路，通過調(diào)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(diào)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(dāng)實際功率超出額定范圍時，軟件自動調(diào)節(jié)PWM波的占空比以穩(wěn)定輸出功率。控制單元監(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(jī)通信，接收工控機(jī)的命令調(diào)控每路功率驅(qū)動電路的參數(shù)，并返回加熱參數(shù)到工控機(jī)。功率驅(qū)動電路主要由一只大功率MOS開關(guān)管組成，在PWM波的控制下處于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)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(guān)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(nèi)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(nèi)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(fù)位，采用專用復(fù)位監(jiān)測電路MAX813，8位撥碼開關(guān)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(nèi)部有10位A/D轉(zhuǎn)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(qū)動電路的電流測量，最終得出功率指標(biāo)。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(qū)動輸出、測量、校準(zhǔn)及閉環(huán)控制電路

圖3為單路PWM驅(qū)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(guān)狀態(tài)，改變PWM波的占空比可改變MOS管的導(dǎo)通時間，進(jìn)而控制加熱器的功率。開關(guān)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(qū)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(yīng)選用真有效值型。在加熱功率分配器的設(shè)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(zhuǎn)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(rèn)證標(biāo)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(jìn)行校準(zhǔn)。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(zhǔn)，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(guān)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(shù)要求輸出功率應(yīng)穩(wěn)定在±1.5%以內(nèi)，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(nèi)可不作調(diào)整；若超出精度范圍，調(diào)控輸出功率直到輸出功率滿足設(shè)定值的要求。經(jīng)過反復(fù)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(xì)選取，KP過大易導(dǎo)致不穩(wěn)，過小將延長閉環(huán)時間。設(shè)定電流由工控機(jī)通過設(shè)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(qū)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(jìn)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(luò)傳輸線的始端和末端應(yīng)各接1只120 ?的匹配電阻，以減少線路上傳輸信號的反射。總線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(jìn)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(jī)軟件

工控機(jī)軟件采用VC語言編制，程序主要包括人機(jī)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(shè)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(dǎo)入到計算機(jī)，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(jī)的時間為基準(zhǔn)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(jī)，根據(jù)設(shè)定功率可計算出設(shè)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(jìn)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(jī)的通信功能，根據(jù)工控機(jī)提供的設(shè)定電流調(diào)控每路的參數(shù)，測量4路功率驅(qū)動電路的電流，實現(xiàn)電流的閉環(huán)控制，進(jìn)而達(dá)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(zhuǎn)換子程序、故障處理子程序、閉環(huán)控制等子程序。在軟件設(shè)計中采用了硬件“看門狗”，對關(guān)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(shè)定為19.2 kb/s，采用CAN標(biāo)準(zhǔn)信息幀傳輸數(shù)據(jù)，協(xié)議定義了工控機(jī)和每個控制單元以及單元內(nèi)部每一路的地址，規(guī)定了數(shù)據(jù)查詢、電流設(shè)定、故障報警、故障清除以及關(guān)機(jī)等命令的編碼，其中系統(tǒng)關(guān)機(jī)命令采用廣播方式，工控機(jī)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(shè)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(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝設(shè)計、軟件設(shè)計以及生產(chǎn)制造的全過程中應(yīng)嚴(yán)格貫徹可靠性設(shè)計的原則。關(guān)鍵元器件采用了I級降額和強(qiáng)制風(fēng)冷措施，對電路的各個環(huán)節(jié)采取了相應(yīng)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(shè)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(biāo)均滿足相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(jī)柜采取安全接地措施。

控制單元采用抽屜式結(jié)構(gòu)，自帶電源開關(guān)，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(guān)，故障單元可現(xiàn)場插拔更換，維修操作簡單方便。

6 結(jié)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(diào)；輸出功率精度1.5%，每路輸出功率按照預(yù)先設(shè)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(dá)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(shè)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(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用[M].北京航空航天大學(xué)出版社, 2002

[2]王小明.電動機(jī)的DSP控制[M].北京航空航天大學(xué)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(shè)計[J].真空與低溫, 2007(增刊): 272-276