基于DSP的船舶電力系統智能通信電源設計

彭仁松

(武漢船舶職業技術學院，湖北 武漢430050)

0 引 言

隨著電力電子技術和船舶技術的迅猛發展，種類繁雜、數量龐多的高端電力電子設備越來越多地應用在船舶這一重要的交通工具上，保障著船舶的可靠運行。然而這些電子設備的正常運行狀態依靠船員逐一地去監視、控制與記錄，勢必會耗費船員大量的精力與時間，同時對設備的維護管理也不利，所以通信設備在船舶上的使用勢在必行。

通信設備可以實現對各種被控對象的集中監控，實時地更新各種電力電子設備的狀態，可以迅速地處理各種非正常工作狀態和故障情況，提高了對整個電力電子設備的管理效率［1］。

而監控高效通信設備的正常運轉都離不開電源的電力供應，所以通信電源在監控系統中必不可少，可稱之為整個通信系統的“發動機”。通信電源如此之重要，那么實際通信電源的規格也制定得勢必越來越嚴苛:

1)首要一點要做到能夠長期可靠地運行;

2)輸出電壓的波動范圍要求更窄，一般小于1%;

3)功率因數與效率要求愈嚴;

4)負載動態響應要求更高

發展至今，通信電源不僅僅需要提供電力供應，而且還需要越來越多智能的功能，比如發生故障時可以自檢發出報警信號，可以實現遙控、遙測功能等。

本文主要針對應用于船舶電力系統中的實際通信電源研究了基于DSP 的設計方案［2］。

1 智能通信電源結構

圖1 為智能通信電源系統結構示意圖，主功率部分包括AC 配電、并聯整流單元、DC 配電、備用電池組。控制部分主要為主功率電路工作狀態提供監控功能，監控模塊采用RS485 串口總線一方面監視整個通信電源系統的實時狀況，反映到監控屏，另一方面根據系統實際情況，接受遠程或者近端監控上位機的指令，對通信電源的帶載進行實時調整?；诒疚难芯恐攸c，下面對主功率電路結構進行闡述說明。

圖1 智能通信電源系統結構示意圖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)經過相應的保護裝置后輸出至后級的整流模塊。保護裝置通常包括帶有遙信功能的浪涌抑制器、自動空氣開關、熔斷器等，另外還會配有檢測、報警及顯示功能。

2)整流單元。該單元將AC 配電網絡提供的AC 電壓整流為48Vdc送入至DC 配電部分，通常在大功率輸出場合通常是由N 個相同的部分并聯起來。以前國內采用晶閘管SCR 運用相控整流的方式，由于開關管運行于低頻50 Hz，使得整個系 統功率密度很小，并且對電網諧波污染大，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生的直流輸出分配到系統不同容量的負載中;同時并入蓄電池組一方面可在主功率故障時為系統提供備用電源，另一方面在電池容量不足的情況下，可通過直流配電單元蓄能。

2 通信電源總體設計方案

根據船舶電力系統的交流配電及通信負載的實際需求，本文設計的通信電源規格如下:

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)輸出電壓波動指數小于等于±0.2%;

5)整機功率因數至少0.99;

6)整機效率大于等于88%;

7)散熱條件為強迫風冷;

8)功率器件最大溫升為40℃。

根據上述給出的實際通信電源規格，選擇最為合適的主功率拓撲結構。

由于對整機的PF 值有要求，故需要添加PFC電路，對于該部分電路結構有如表1 幾種方案的比較。

表1 實現PFC 功能的拓撲比較Tab.1 The comparison of different topologies for achieving PFC

由于前級需要為后級DC/DC 提供穩定的直流，且大功率場合通常采用Boost 方案，由于本通信電源瓦數接近1 000 W，所以選用Boost 拓撲結構，采用CCM 的控制模式［3］。

對于后級DC/DC 電路而言，各種不同類型拓撲結構適用條件表2。

表2 DC/DC 拓撲比較Tab.2 The comparison of different DC/DC topologies

由于本通信電源輸出功率48 ×20 =960 W，為大瓦數輸出，基于表2 的比較，采用全橋作為DC/DC 的拓撲結構。實際中為了提高整機的功率密度，需要將全橋的開關頻率盡量提高，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關管的損耗，這就需要用到電源領域流行的軟開關技術，而最為成熟的要屬PSFB ZVS PWM 直直變換器。所以本電源系統的拓撲結構為:CCM PFC+PSFB，如圖2 所示。

圖2 通信電源總體設計構架Fig.2 The design scheme for the whole communication power supply system

3 數控電路設計

目前許多用于通信領域的高頻電源為純模擬亦或是模擬和數字兼有的控制模式［4］。盡管模擬控制IC 已相當的成熟，但對于大功率較為復雜的拓撲而言，仍然存在外圍器件數量龐多、控制線路復雜，靈活性較差等缺陷。隨著半導體、微電子技術的發展，各種專用集成電路如雨后春筍般地出現，并且隨著市場上需求的增大性價比不斷提高，功能也不斷完善。數字控制在相當大程度上可以免除模擬控制的上述缺陷。采用數控的高頻開關電源有著以下顯著的優勢:

1)數字化后的信號，可以盡量降低模擬信號的傳輸中帶入的干擾，比如磁性器件電磁干擾、開關管通斷噪聲;

2)可以在數字編程基本不變或者稍作變化的情況下，允許不同硬件系統采用該數字平臺實現新的功能;

3)對于需要完成相同的計算功能，可用軟件代碼替代原本的模擬電路，大大地簡化了外圍電路的結構;

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

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

3.1 PFC 級控制

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

圖3 PFC 數字控制結構框圖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 采集環節、驅動電路、PI 調節器與DSP 處理器構成。與傳統模擬控制器相比，電流與電壓PI調節器分別取代了電流與電壓誤差放大器，基于DSP 內部精準的時鐘，通過程序代碼來設定調節器的參數。

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，首先會將采集到的輸入電壓Ui送至乘法器的一個口中，另外為給后級電路提供穩定的直流電壓，需要將該級輸出電壓Uo采集進入后與DSP 內部的參考電壓比較后經PI 調節器送至懲罰器的另一個輸入口。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。乘法器產生的信號被看作電感電流iL的參考量，電感電流與該值作差后通過比例積分放大以后送入至全比較器，用來更新相應的比較寄存器中的值，通過軟件實時地將該值賦到PWM 信號的占空比中，由于該PWM 信號幅值只有3.3 V ，需要通過隔離驅動以產生用以控制功率MOS 管的驅動脈沖。通過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，最終達到同相位的目的，即提高了整機的PF 值，同時也穩定了輸出直流電壓。

3.2 PSFB 級控制

圖4 為電路同樣通過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時監控該電源負載的情況，而采集輸出電壓則為了構成電壓閉環反饋控制，使輸出電壓穩定。由于采樣上述信號時會涉及到采樣頻率的設置，采樣頻率的選取會影響到系統的穩定性與可靠性。采樣頻率高對DSP 的處理字長和計算精確度要求更苛刻，但會滿足系統更高的帶寬要求。本通信電源后級的開關頻率設定為100 kHz，根據Shannon 采樣定理，電壓的采樣頻率設為100 kHz，電流為200 kHz。

圖4 PSFB 數字控制結構框圖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，經過信號調理電路后，輸出到比例積分控制器的輸入口后，基于DSP 內部相應定時器的時基，產生用于移相控制的驅動波形，該驅動的開關頻率為100 kHz。

4 數控軟件流程

本節主要針對基于DSP 的數字控制進行程序部分的設計［5］。本系統程序主要包含主程序、模擬采集子程序及中斷服務子程序。中斷子程序包括硬件檢測觸發產生的故障與軟件監控產生的報警。

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

進入主程序入口，首先要對各種變量初始化，DSP相關硬件功能初始化，包括定時器、AD 口、PWM 口等，還有針對產生中斷的各子程序的調用。PFC 輸入電流的軟起控制、各種模擬量的采集、PWM 信號的產生、PI 調節器的參數均通過程序來控制實現。針對不同類別的子程序，配置不同的先后次序。優先級順序依次為:保護→采樣→PMW 驅動信號→顯示。

針對主程序的控制時序圖如圖5 所示，定義系統初始化的狀態，使硬件狀態初始化，然后空閑下來，直至相應的中斷發生;發生中斷后主程序需要先保存現場，然后執行優先級高的中斷子程序，結束后主程序再恢復之前保存的現場。

5 結 語

隨著電力電子技術和船舶技術的迅猛發展，種類繁雜數量龐多的高端電力電子設備越來越多地應用在船舶這一重要的交通工具上，通信設備在其中起著監視、控制與管理其他電子設備的目的。而通信電源為通信設備的正常運轉提供著必備的能量來源。本文對于船舶上這一至關重要的通信電源，根據其實際的規格，選擇了電源的拓撲結構，并基于DSP 控制芯片設計了相應的控制電路，并實施了相應的控制策略，最后給出了DSP 的軟件流程圖。本文借助于DSP，充分運用現代數字控制技術的優勢，極大地縮短了控制方案的設計周期，并大大地提高了通信電源的開發效率。

［1］周琦．電力系統通信電源應用分析［J］．電力系統通信，2007(Z1):67 －69，72．ZHOU Qi．Application analysis of communication power supply for electric power system［J］．Telecommunications for Electric Power System，2007(Z1):67 －69，72．

［2］劉小虎，張天浩，吳巋華．一種基于DSP 組合式中頻逆變電源的設計［J］．艦船科學技術，2011，33(12):79－81．LIU Xiao-hu，ZHANG Tian-hao，WU Kui-hua．Design of combined medium frequency power inverter supply based on DSP［J］．Ship Science and Technology，2011，33(12):79－81．

［3］喻壽益，楊柳，陳寧．Boost 型電路雙閉環功率因數校正控制策略［J］．控制工程，2013，20(1):18 －21．YU Shou-yi，YANG Liu，CHEN Ning．Double loop ontrol strategy for PFC based on boost circuit［J］．Control Engineering of China，2013，20(1):18 －21．

［4］曹冬華，劉金林，曾凡明．數字化設計技術在艦船動力裝置生命周期中的應用［J］．艦船科學技術，2012，34s(11):159 －164．CAO Dong-hua，LIU Jin-lin，ZENG Fan-ming．Research on application of the digital design technology to the lifecycle of the marine power plant［J］．Ship Science and Technology，2012，34(11):159 －164．

［5］張文鐸，邱瑞昌，趙曉紅．基于DSP 的中頻逆變電源設計［J］．電力電子技術，2010(4):56 －58．ZHANG Wen-duo，QIU Rui-chang，ZHAO Xiao-hong．Design of medium frequency power inverter supply based on DSP［J］．Power Electronics，2010(4):56 －58．