| 标题 | 基于电源控制的独立模块设计 |
| 范文 | 张凯 摘 ?要： 该设计通过独立模块的应用，以实现电源独立控制为目的，进而在电源设备工作期间，从人工干预、运行成本、工作效率三方面进行改善。其工作方式分本控和远控两种：在本控方式下，电源控制模块向站控计算机发送电路分机的工作状态；在远控方式下，电源控制模块除向站控计算机发送电路分机的工作状态外，还接收并执行站控计算机送来的各种命令、引导信息，根据信息对电源工作状态经行调整，实现无人工干预的独立电源。 关键词： 独立模块； 电源控制； 控制电路； 引导信息 中图分类号： TN86?34； TM910 ? ? ? ? ? ? ? 文献标识码： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章编号： 1004?373X（2014）23?0152?03 Design of independent module for power supply control ZHANG Kai （Shaanxi Industrial Vocational College， Xianyang 712000， China） Abstract： The purpose of this design is to realize independent control of the power supply. In the local control mode， the power control module transmits the working status of the circuit extension to the station control computer. In the remote control mode， in addition to the function mentioned above， the power control module also receives and executes the commands and digital guidance information from the station control computer， and adjust the working state of the power supply according to the feedback information to realize the independent power supply without manual intervention. With the above method， artificial intervention， operation cost and working efficiency of the power unit are significantly improved. Keywords： ?independent module； power supply control； control circuit； guidance information 1 ?控制模块的主要任务 对于电路控制系统来说，控制模块的主要任务是根据指令稳定可靠地控制电源运行。此外，控制模块担负着供电、监控和实时统计任务。电源控制系统连接如图1所示。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼31t1.tif>； 图1 电源控制系统连接图 1.1 ?控制模块任务 控制模块的任务主要指：控制模块与计算机的信息传输；控制模块与编码器的信息传输；控制模块与接收机的信息传输；控制模块与驱动系统的信息传输；控制模块与极化控制系统的信息传输。 本系统的位置编码器选用套轴旋转变压器，PDU向旋转变压器输出激磁电压并且实时接收旋转变压器送来的数据，编码后通过RS 232串口将编码数据发送给电源控制模块，采样周期为20 Hz。 电源控制模块与接收机的接口： 模拟接口。接收机向电源控制模块提供误差电压、AGC电平。 数字接口。电源控制模块控制接收机频率和极化，并采样得到接收机当前频率和极化。 1.2 ?电源控制模块的监控管理任务 监控与管理是电源控制模块的核心任务，是系统可靠工作的保证。电源控制模块可对控制系统各模块的关键状态、模板端口进行检测。 检测内容：电源状态检测，包括电源预限位、终限位、急停、方位、俯仰和第三轴插拔锁等状态。 1.3 ?人机接口的管理 在Windows XP环境下进行人机界面设计，中文操作环境和提示、仪表仿真接口。在系统检测到故障信息时弹出故障显示框，并做出相应处理。 1.4 ?数据存储功能 数据存储文件可实现记录系统运行所采集的多种数据。 1.5 ?人机界面 按照技术协议书对测角监控计算机模块的功能要求，本着实用、可靠、先进的原则，设计人机界面友好、便于操作和控制的画面。 主界面宏观设计框架如图2所示。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼31t2.tif>； 图2 电源控制模块人机界面 2 ?电源控制模块工作方式概述 电源控制模块主要方式有以下几种：待机，速度手控，指令位置，程序跟踪，自动跟踪，收藏。 2.1 ?待机 系统发生故障时自动进入待机方式。在待机方式下，制动器抱闸，驱动被禁止。 2.2 ?速度手控 对电源座的方位、俯仰、第三轴实施速度控制，是一种常用的大角度调转方式，也可以用于手动跟踪和电源维护。 2.3 ?位置控制 （1） 用户命令控制是最常用的方式。在命令控制下，方位、俯仰、第三轴均按位置环闭环方式工作。依据位置指令来源和操作使用的差异，位置控制分为位置指令、位置增量等方式。无论哪种控制方式，电源各轴的当前位置和指令位置都显示在显示屏上。 位置指令由面板的键盘直接输入，主要用于电源大角度调转，使电源准确地停在预定的位置。 （2） 位置增量 位置指令来自位置步距，主要用于电源位置的精密调整。 2.4 ?程序跟踪 程序跟踪是指接收站管理分系统的调度命令、轨道预报数据并据此产生电源指向数据，电源随动于该指令数据。在程序跟踪过程中，可以依据接收机误差信号大小对程序跟踪轨迹实现在线修正。在非正常工作状态时，程序跟踪是有效的执行任务的工作方式。 另外扫描功能常用来辅助捕获目标。该功能仅在位置控制和程序跟踪两种工作方式下有效。当该功能使能后，电源将按照操作手预设的参数进行扫描运动；一旦接收机锁定或信号电平达到捕获门限，电源控制模块将自动转入自动跟踪方式。扫描方式和扫描参数可以从前面板选择，扫描方式分为方位扫描、俯仰扫描、15°斜向扫描三种方式[1]；扫描参数包括扫描速度、扫描范围等。 2.5 ?收藏功能 用于把电源置于设定的收藏位置。 2.6 ?自动化测试 自动化测试项目有： （1） 最大速度。以最大速度驱动电源，记录各个整秒之间的位置差并找出最大值，这个最大值就是最大速度。 （2） 最大加速度。以最大速度驱动电源，并记录各个工作周期之间的位置差，这个位置差就是每个工作周期的即时速度。计算每相邻两个周期的速度差并找出最大值，这个最大值就是最大加速度。 （3） 收敛特性。首先在找到零点后，偏转电源方位和俯仰转入自跟踪并记录数据，通过记录的数据绘制实时曲线。 （4） 过渡过程。在位置指向工作方式下做阶跃响应并记录数据，根据记录的数据绘制曲线，通过这些数据可以计算出调整时间、超调量和电路带宽。 （5） 跟踪精度。做若干次自跟踪并记录每次跟踪后的角度数据，根据这些统计数据计算出跟踪精度。 （6） 指向精度。首先驱动电源到某一个点后设为零点，然后偏转电源再指向零点，电源稳定后记录角度数据，重复此步骤若干次后计算均值和方差。 3 ?电源控制模块的硬件构成 在电源控制模块设备组成上选用计算机控制系统，根据不同需要可以选用不同模板的特点，为系统功能的升级与扩展提供便利。Windows环境操作平台使人机界面更加灵活、友好，支持多种编程语言和开发工具。 电源控制模块机箱采用台湾产研华工控机箱。机箱内安装有CPU主板、硬盘、显卡、A/D采集卡、D/A转换卡、通信卡、母板等[2]。 位置环带宽及加速度常数[Ka]能做多大直接取决于结构谐振频率的大小。位置环设计为典型的二阶系统，其校正运算在计算机内完成。在保证跟踪精度的前提下，尽量提高系统的动态性能。 环路带宽主要受谐振频率和阻尼系数的限制，其关系如下： [fB=14～17fL] 式中：[fB]是电路带宽；[fL]是结构锁定转子谐振频率。 位置环采用复合控制方式，以给出的速度命令作为前馈通道的命令，本系统设计中选定穿越频率[ωc=1.57，]根据以下公式确定位置环的转折频率点： [1T3=ωc2.4=1.572.4=0.65] [1T2=2.4?ωc=2.4×1.57=3.76] [Ka=0.91] 电源控制系统由于受结构谐振频率的限制，跟踪回路带宽、加速度常数都不能做得很高。根据计算结果，对于12 m口径的电源，其结构谐振频率大约为1 Hz。以此为基础设计的二阶无静差电路系统，其[Ka]约为1。因此为了提高跟踪精度，减小动态滞后，必须采用计算机辅助跟踪，使系统的加速度常数和无静差度进一步提高。 在电源电路系统中减小动态滞后、提高无静差度的有效方法为目标速度前馈。目标速度前馈就是把目标的速度通过一个网络正馈到速度回路输入端[3]。因此，利用站控计算机将位置引导数据按照一定的时间间隔进行处理，产生目标位置的微分，作为一个辅助跟踪信号，正馈到速度回路输入端，其原理图如图3所示。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼31t3.tif>； 图3 复合控制原理图 4 ?轴角编码与时码模块 任务书要求轴角编码模块实时同步编码，以20 Hz的速率串行传送电源方位、俯仰、第三轴轴角编码数据，并需同时具备B码时频终端功能：外时统工作方式下需解调IRIG?B（DC）码信号，产生时间信息和本分系统所需的与B码参考码元前沿严格同步的各路同步信号；内时统工作方式下自行产生本分系统所需的各路同步信号[4]。充分考虑任务要求后，将二者一体化设计为基于AVR单片机的以“MCU+CPLD”为主体的系统。 工程选用了AVR单片机作为系统MCU，AVR单片机是Atmel公司推出的全新配置的精简指令集（Reduced Instruction Set CPU）单片机。Atmel在设计AVR系列单片机时吸取PIC及8051单片机的优点，并作了重大改进。 5 ?系统工作原理 为了确保轴角编码数据及解调数据的正确无误，设计时采用了双MCU方案，并实现了时频终端两种工作方式的自动转换，在无外输入的状态下自动转入内时统工作方式，有外输入时自动转入外时统工作方式，无需人工干预[5]。 接收外部20 Hz同步信号作为轴角编码数据管理MCU外部中断源，在中断服务程序中完成角度数据的采集、编码及串行输出；另一片MCU对IRIG?B（DC）码时间信息进行软件解码，实现两种工作方式的自动转换功能，同时管理与外部设备的串行通信（20 Hz）和显示控制，而IRIG?B（DC）码秒同步信号的提取及各同步信号的产生由一片CPLD完成。此外，两片MCU之间由串行通信进行信息的传递。 轴角编码数据管理MCU实时将角度数据送解调MCU（20 Hz），由解调MCU将编码角度数据每帧数据加时标输出（20 Hz）[6]，即送上位机的每帧数据中既包含当前方位、俯仰角信息，又包含当前时间信息，有效避免了上位机由于接收数据漏帧或同步信号受干扰而引起的角度数据与时间信息不匹配的问题，为数据处理时测角数据的正确性提供了很好的保证。同时，轴角编码数据管理MCU还与上位机进行通信，可以对编码角度方便地进行零值标定：MCU接收上位机传送的零值标定角度写入内置E2PROM，将编码角度加上E2PROM中的零值标定角度即可。 触摸显示屏在驱动机柜门板上镶嵌使用，设计中选用了PWS6600C?S触摸屏作为显示操作元件，其界面美观，可操作性好[7]。多界面切换功能，可方便地实现零位调整、匹配值更改、内时统时间调整以及粗精码的显示功能。ADP6软件强大的巨集指令应用方式，使人机得以经由内部巨集指令（Macro Function）功能执行数值运算、逻辑判断、流程控制、数值通信、数值转换、计时器、计数器、自定通信指令操作等[8]。 6 ?电源控制模块软件设计思想 软件是电源控制模块不可缺少的组成部分。从某种意义上讲，它是电源控制模块中最重要的组成部分。软件的质量是电源控制模块研制是否成功的关键。因此，在电源控制模块的研制设计中，按照《军用软件开发规范》GJB2786?96的标准[9]开展软件设计工作，对软件的开发要做到思想重视、严格要求，坚持软件工程化开发与管理，确保软件开发质量。 7 ?结 ?语 电源控制模块的设计将严格按照工程的要求，认真做好用户的需求分析、概要设计和详细设计，制定完整的计划和标准，确保所开发的电源控制模块满足各项技术要求，并在此基础上完成电源控制模块的调试、测试、验收等。 电源控制模块的主要任务是指挥协调硬件设备完成相应的功能。宏观上讲，电源控制模块的功能主要有电源控制功能、设备监控功能、信息显示功能、网络通信功能、数据存储功能等。 参考文献 [1] 俞海珍，冯浩.电磁兼容技术及其在PCB设计中的应用[J].电子机械工程，2004（4）：80?82. [2] 刘洁.多模式开关电源控制器设计[D].西安：西安科技大学，2013. [3] 刘明雨.多级电压电流混合补偿的跟踪电源研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012. [4] 焦喜香，敬岚，乔为民，等.基于CPLD和ATMEGAL128的数字电源系统的设计[J].核电子学与探测技术，2010（1）：71?74. [5] 邵联合，黄桂梅.直流开关稳压电源的设计[J].轻工科技，2014（3）：42?43. [6] 黄新燕.关于通信电源维护与管理的探讨[J].电源技术应用，2013（10）：86?88. [7] 王洁云，秦彬.DC/DC直流电源系统在通信电源系统中的应用[J].电源技术应用，2013（10）：56?58. [8] 王勇，付凤平，安琪.解析EPS电源原理及实际应用[J].电源技术应用，2013（10）：35?37. [9] 郑英兰，李兵.低电压大电流开关电源的设计[J].仪表技术与传感器，2010（9）：63?64. 5 ?系统工作原理 为了确保轴角编码数据及解调数据的正确无误，设计时采用了双MCU方案，并实现了时频终端两种工作方式的自动转换，在无外输入的状态下自动转入内时统工作方式，有外输入时自动转入外时统工作方式，无需人工干预[5]。 接收外部20 Hz同步信号作为轴角编码数据管理MCU外部中断源，在中断服务程序中完成角度数据的采集、编码及串行输出；另一片MCU对IRIG?B（DC）码时间信息进行软件解码，实现两种工作方式的自动转换功能，同时管理与外部设备的串行通信（20 Hz）和显示控制，而IRIG?B（DC）码秒同步信号的提取及各同步信号的产生由一片CPLD完成。此外，两片MCU之间由串行通信进行信息的传递。 轴角编码数据管理MCU实时将角度数据送解调MCU（20 Hz），由解调MCU将编码角度数据每帧数据加时标输出（20 Hz）[6]，即送上位机的每帧数据中既包含当前方位、俯仰角信息，又包含当前时间信息，有效避免了上位机由于接收数据漏帧或同步信号受干扰而引起的角度数据与时间信息不匹配的问题，为数据处理时测角数据的正确性提供了很好的保证。同时，轴角编码数据管理MCU还与上位机进行通信，可以对编码角度方便地进行零值标定：MCU接收上位机传送的零值标定角度写入内置E2PROM，将编码角度加上E2PROM中的零值标定角度即可。 触摸显示屏在驱动机柜门板上镶嵌使用，设计中选用了PWS6600C?S触摸屏作为显示操作元件，其界面美观，可操作性好[7]。多界面切换功能，可方便地实现零位调整、匹配值更改、内时统时间调整以及粗精码的显示功能。ADP6软件强大的巨集指令应用方式，使人机得以经由内部巨集指令（Macro Function）功能执行数值运算、逻辑判断、流程控制、数值通信、数值转换、计时器、计数器、自定通信指令操作等[8]。 6 ?电源控制模块软件设计思想 软件是电源控制模块不可缺少的组成部分。从某种意义上讲，它是电源控制模块中最重要的组成部分。软件的质量是电源控制模块研制是否成功的关键。因此，在电源控制模块的研制设计中，按照《军用软件开发规范》GJB2786?96的标准[9]开展软件设计工作，对软件的开发要做到思想重视、严格要求，坚持软件工程化开发与管理，确保软件开发质量。 7 ?结 ?语 电源控制模块的设计将严格按照工程的要求，认真做好用户的需求分析、概要设计和详细设计，制定完整的计划和标准，确保所开发的电源控制模块满足各项技术要求，并在此基础上完成电源控制模块的调试、测试、验收等。 电源控制模块的主要任务是指挥协调硬件设备完成相应的功能。宏观上讲，电源控制模块的功能主要有电源控制功能、设备监控功能、信息显示功能、网络通信功能、数据存储功能等。 参考文献 [1] 俞海珍，冯浩.电磁兼容技术及其在PCB设计中的应用[J].电子机械工程，2004（4）：80?82. [2] 刘洁.多模式开关电源控制器设计[D].西安：西安科技大学，2013. [3] 刘明雨.多级电压电流混合补偿的跟踪电源研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012. [4] 焦喜香，敬岚，乔为民，等.基于CPLD和ATMEGAL128的数字电源系统的设计[J].核电子学与探测技术，2010（1）：71?74. [5] 邵联合，黄桂梅.直流开关稳压电源的设计[J].轻工科技，2014（3）：42?43. [6] 黄新燕.关于通信电源维护与管理的探讨[J].电源技术应用，2013（10）：86?88. [7] 王洁云，秦彬.DC/DC直流电源系统在通信电源系统中的应用[J].电源技术应用，2013（10）：56?58. [8] 王勇，付凤平，安琪.解析EPS电源原理及实际应用[J].电源技术应用，2013（10）：35?37. [9] 郑英兰，李兵.低电压大电流开关电源的设计[J].仪表技术与传感器，2010（9）：63?64. 5 ?系统工作原理 为了确保轴角编码数据及解调数据的正确无误，设计时采用了双MCU方案，并实现了时频终端两种工作方式的自动转换，在无外输入的状态下自动转入内时统工作方式，有外输入时自动转入外时统工作方式，无需人工干预[5]。 接收外部20 Hz同步信号作为轴角编码数据管理MCU外部中断源，在中断服务程序中完成角度数据的采集、编码及串行输出；另一片MCU对IRIG?B（DC）码时间信息进行软件解码，实现两种工作方式的自动转换功能，同时管理与外部设备的串行通信（20 Hz）和显示控制，而IRIG?B（DC）码秒同步信号的提取及各同步信号的产生由一片CPLD完成。此外，两片MCU之间由串行通信进行信息的传递。 轴角编码数据管理MCU实时将角度数据送解调MCU（20 Hz），由解调MCU将编码角度数据每帧数据加时标输出（20 Hz）[6]，即送上位机的每帧数据中既包含当前方位、俯仰角信息，又包含当前时间信息，有效避免了上位机由于接收数据漏帧或同步信号受干扰而引起的角度数据与时间信息不匹配的问题，为数据处理时测角数据的正确性提供了很好的保证。同时，轴角编码数据管理MCU还与上位机进行通信，可以对编码角度方便地进行零值标定：MCU接收上位机传送的零值标定角度写入内置E2PROM，将编码角度加上E2PROM中的零值标定角度即可。 触摸显示屏在驱动机柜门板上镶嵌使用，设计中选用了PWS6600C?S触摸屏作为显示操作元件，其界面美观，可操作性好[7]。多界面切换功能，可方便地实现零位调整、匹配值更改、内时统时间调整以及粗精码的显示功能。ADP6软件强大的巨集指令应用方式，使人机得以经由内部巨集指令（Macro Function）功能执行数值运算、逻辑判断、流程控制、数值通信、数值转换、计时器、计数器、自定通信指令操作等[8]。 6 ?电源控制模块软件设计思想 软件是电源控制模块不可缺少的组成部分。从某种意义上讲，它是电源控制模块中最重要的组成部分。软件的质量是电源控制模块研制是否成功的关键。因此，在电源控制模块的研制设计中，按照《军用软件开发规范》GJB2786?96的标准[9]开展软件设计工作，对软件的开发要做到思想重视、严格要求，坚持软件工程化开发与管理，确保软件开发质量。 7 ?结 ?语 电源控制模块的设计将严格按照工程的要求，认真做好用户的需求分析、概要设计和详细设计，制定完整的计划和标准，确保所开发的电源控制模块满足各项技术要求，并在此基础上完成电源控制模块的调试、测试、验收等。 电源控制模块的主要任务是指挥协调硬件设备完成相应的功能。宏观上讲，电源控制模块的功能主要有电源控制功能、设备监控功能、信息显示功能、网络通信功能、数据存储功能等。 参考文献 [1] 俞海珍，冯浩.电磁兼容技术及其在PCB设计中的应用[J].电子机械工程，2004（4）：80?82. [2] 刘洁.多模式开关电源控制器设计[D].西安：西安科技大学，2013. [3] 刘明雨.多级电压电流混合补偿的跟踪电源研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012. [4] 焦喜香，敬岚，乔为民，等.基于CPLD和ATMEGAL128的数字电源系统的设计[J].核电子学与探测技术，2010（1）：71?74. [5] 邵联合，黄桂梅.直流开关稳压电源的设计[J].轻工科技，2014（3）：42?43. [6] 黄新燕.关于通信电源维护与管理的探讨[J].电源技术应用，2013（10）：86?88. [7] 王洁云，秦彬.DC/DC直流电源系统在通信电源系统中的应用[J].电源技术应用，2013（10）：56?58. [8] 王勇，付凤平，安琪.解析EPS电源原理及实际应用[J].电源技术应用，2013（10）：35?37. [9] 郑英兰，李兵.低电压大电流开关电源的设计[J].仪表技术与传感器，2010（9）：63?64. |
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