劉少龍，曹 琳，楊啟帆，劉 力，劉濤瑜

（中國航空工業(yè)集團(tuán)公司西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068）

0 引 言

工程應(yīng)用中多數(shù)電源電路僅僅完成負(fù)載的供配電，設(shè)計(jì)中大多數(shù)使用成熟的模塊搭建[1-3]。這種設(shè)計(jì)不僅成本較高，同時在電源本身出現(xiàn)故障時無法做到故障的準(zhǔn)確記錄、定位和隔離，從而使后級負(fù)載無法正常工作，同時電源本身的故障排查難度系數(shù)加大[4-7]。本文針對分立式器件構(gòu)建的降壓式功率變換電路，給出了一種不僅能完成輸入電壓的降壓控制，而且可對功率電路和負(fù)載前端電路進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控與管理的嵌入式軟件設(shè)計(jì)[8,9]。

1 數(shù)字控制電源基本架構(gòu)說明

該降壓式數(shù)字電源主功率電路采用非隔離的BUCK變換器拓?fù)?，將輸入?8 V直流信號變換為系統(tǒng)所需的12 V直流信號，后端設(shè)置多路選通電路以完成多路負(fù)載的獨(dú)立供電[10,11]。主拓?fù)銪UCK電路采用分立器件搭建，開關(guān)管選用工作頻率較高的MOSFET功率管，驅(qū)動電路完成驅(qū)動信號的放大以保證開關(guān)管的正常開通和關(guān)斷[12]。數(shù)字控制電路控制芯片采用TI公司的TMS320系列型號MCU，該MCU具有多路獨(dú)立輸出的PWM功能模塊，每路輸出的PWM波頻率和占空比可根據(jù)需求進(jìn)行設(shè)置，同時對應(yīng)的兩路PWM輸出也可設(shè)置為頻率相同、相位相反的互補(bǔ)波形，該功能可滿足主拓?fù)涞拈_關(guān)管控制需求。同時，主控芯片實(shí)時采集主拓?fù)漭斎胼敵鰠?shù)、負(fù)載通道電氣參數(shù)和外部指令等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)主功率的降壓變換和智能監(jiān)控功能。

為提高數(shù)字電源負(fù)載狀態(tài)下的工作可靠性，該數(shù)字電源在主拓?fù)潆娐吠庠O(shè)置了硬件監(jiān)控支持電路，監(jiān)控支持電路提供輸出電源監(jiān)控、輔助電源監(jiān)控、存儲電路、看門狗電路、溫度監(jiān)控、通信接口、人機(jī)交互接口、計(jì)時電路以及狀態(tài)指示等電路，通過ARINC429總線、I2C總線等接口和主控MCU互聯(lián)。主控MCU獲取來自監(jiān)控電路的電氣特性數(shù)據(jù)并進(jìn)行解析，實(shí)現(xiàn)對功率變換電路的控制、各負(fù)載通道工作狀態(tài)的監(jiān)控、輔助電源的狀態(tài)檢測、故障信息存儲和獲取以及對外維護(hù)接口。

控制軟件駐留在主控芯片MCU上，實(shí)時讀取主功率回路的各項(xiàng)電氣參數(shù)，完成數(shù)字電源降壓變換拓?fù)涞墓ぷ骺刂?，確保輸出穩(wěn)定的12 V直流信號，保證多路負(fù)載的正常工作。同時對負(fù)載電路和外圍硬件電路進(jìn)行監(jiān)控，對檢測出的故障進(jìn)行實(shí)時記錄存儲，同時提供人機(jī)交互界面完成設(shè)備構(gòu)型信息的升級和工作狀態(tài)信息、故障信息的輸出?？刂栖浖ㄟ^I2C總線和ARINC 429總線完成設(shè)備與外部應(yīng)用軟件的板間通信功能。

2 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

控制軟件為單進(jìn)程、單線程的工作模式，程序采用主程序加中斷服務(wù)函數(shù)的設(shè)計(jì)思路。軟件主要完成功率變換電路工作控制、智能監(jiān)控與管理和信息通信3個功能，各功能塊之間通過內(nèi)部接口完成信息傳輸，確保降壓變換電路輸出的直流電壓幅值穩(wěn)定、各輸出通道工作可靠。軟件編碼采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，確保設(shè)計(jì)的復(fù)用性和維護(hù)性，邏輯架構(gòu)如圖1所示。

圖1 軟件邏輯架構(gòu)

如圖1所示，軟件邏輯架構(gòu)主要分為3個功能塊，分別為功率控制、智能監(jiān)控與管理以及信息通信。功率控制部分接收來自智能監(jiān)控與管理功能塊的電壓、電流、溫度等電氣參數(shù)信息并進(jìn)行解析處理，得出功率變換開關(guān)管的導(dǎo)通占空比，然后通過片上的ePWM外設(shè)接口輸出預(yù)設(shè)占空比的功率管驅(qū)動PWM信號至外部驅(qū)動電路，完成BUCK電路的工作控制。

功率控制功能塊可分為智能監(jiān)控與管理部分，完成功率變換電路、外圍硬件電路以及片上程序的實(shí)時監(jiān)控和管理，確保輸出多路負(fù)載的正常工作。當(dāng)電路出現(xiàn)故障時，關(guān)閉輸出通道的開關(guān)并對故障的類型、故障編號、時間、次數(shù)等信息進(jìn)行記錄和存儲，以方便后期的故障定位與維修。信息通信部分完成板間的命令獲取和工作狀態(tài)的周期上報，實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備的信息交互，同時提供人機(jī)交互接口，實(shí)現(xiàn)軟硬件構(gòu)型信息的編輯維護(hù)和軟件程序的加載固化。

軟件運(yùn)行流程如圖2所示。上電或復(fù)位完成后，軟件開始運(yùn)行。首先，完成片上存儲器、片上外設(shè)、對外接口、輸入輸出端口以及控制環(huán)電壓電流參考值的初始化，上電初始化完成后執(zhí)行上電BIT，對智能監(jiān)控與管理部分電路的外圍基本硬件進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果正常則進(jìn)入功率控制功能塊，執(zhí)行降壓電路的主功率控制，異常則進(jìn)行故障記錄和分析，若故障不影響繼續(xù)運(yùn)行則仍進(jìn)入功率控制模塊。進(jìn)入功率控制模塊后，首先獲取來自主功率回路的電壓和電流值，經(jīng)過雙PI環(huán)控制后，由PWM輸出調(diào)節(jié)組件輸出目標(biāo)占空比的PWM波，控制功率變換電路的正常工作。溫度監(jiān)控和周期BIT組件循環(huán)執(zhí)行，確保功率變換、負(fù)載輸出通道的正常工作。軟件的外部通信采用中斷的方式，即當(dāng)通信接口傳來外部消息時，立即進(jìn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)函數(shù)，完成信息接收、解析以及發(fā)送后，程序返回至主程序繼續(xù)運(yùn)行。

圖2 控制軟件運(yùn)行流程

3 軟件實(shí)現(xiàn)

控制軟件主要分為3個功能塊，每個功能塊又分別包含多個子功能組件。其中，功率控制功能塊包含3個子功能組件，分別為電壓環(huán)PI控制組件、電流環(huán)PI控制組件以及PWM輸出調(diào)節(jié)組件。電壓環(huán)PI控制組件又稱為外環(huán)PI控制組件，完成實(shí)際輸出電壓和參考電壓間的PI計(jì)算；電流環(huán)PI控制組件又稱為內(nèi)環(huán)控制組件，完成參考電流值和實(shí)際電流值的PI計(jì)算，為減小輸入電壓變化對輸出電壓的影響，在電流環(huán)PI中增加了輸入電壓前饋控制，這樣當(dāng)輸入電壓發(fā)生變化時，參考電流值隨之變化，無需經(jīng)電壓控制器調(diào)節(jié)，閉環(huán)響應(yīng)快速性大大提高；PWM輸出調(diào)節(jié)組件接收來自電流環(huán)PI控制組件輸出的脈沖寬度調(diào)制占空比數(shù)據(jù)，選擇適當(dāng)?shù)念l率，調(diào)用片上ePWM接口模塊輸出PWM脈寬調(diào)制信號，控制功率變換電路的開關(guān)管正常工作。功率控制功能塊的運(yùn)行流程如圖3所示。

圖3 功率控制功能模塊運(yùn)行流程

智能監(jiān)控與管理功能塊共包含6個功能組件，分別是上電初始化、上電BIT、周期BIT、故障記錄、電氣參數(shù)采集以及溫度監(jiān)控。

上電初始化組件運(yùn)行在程序的最開始，完成片上內(nèi)存、所有片上對外接口、片外硬件外設(shè)、關(guān)鍵寄存器數(shù)據(jù)、重要控制數(shù)據(jù)等的初始化配置、預(yù)設(shè)值寫入，確保其他功能組件運(yùn)行時所需必要數(shù)據(jù)的完備性和正確性。上電BIT完成監(jiān)控管理輔助功能的檢測，檢測內(nèi)容包括風(fēng)機(jī)、外置NVRAM、RTC、離散量等。檢測結(jié)果正常時程序繼續(xù)運(yùn)行，檢測出故障時首先對故障進(jìn)行記錄，記錄信息包括故障發(fā)生的精確時間、故障編號、次數(shù)信息等數(shù)據(jù)，然后再對故障類型進(jìn)行判斷。當(dāng)故障對后續(xù)主功能的影響較小時，程序可繼續(xù)運(yùn)行。

周期BIT按照預(yù)設(shè)的周期值循環(huán)運(yùn)行，完成程序正常運(yùn)行時所有功能的檢測和監(jiān)控，檢測項(xiàng)包括溫度、功率變換電路前端輸入電壓、功率變換電路后端輸出電壓電流、多路負(fù)載通道的輸出電壓和輸出電流、看門狗等。當(dāng)故障發(fā)生后，立即調(diào)用故障記錄功能組件對故障進(jìn)行記錄和分析，故障記錄方式和上電BIT相同，均是將故障信息存入外置NVRAM中，以供人機(jī)交互功能組件讀取。電氣參數(shù)采集功能組件完成輸入輸出電流值和電壓值的采集，對采集到的模擬信號進(jìn)行解算，作為功率控制功能塊的關(guān)鍵輸入信號完成主功率變換電路的雙閉環(huán)控制。

溫度監(jiān)控功能組件通過外置溫度監(jiān)控芯片獲取系統(tǒng)工作的實(shí)時溫度值，溫度監(jiān)控芯片放置于對溫度變換較為敏感的降壓型功率變換的開關(guān)管附近，以更好地達(dá)到溫度監(jiān)控的目的。同時溫度監(jiān)控功能組件根據(jù)采集到的溫度信息控制風(fēng)機(jī)的工作，達(dá)到系統(tǒng)正常散熱的要求。智能監(jiān)控與管理功能塊各功能組件間的交聯(lián)關(guān)系如圖4所示。

圖4 智能監(jiān)控與管理各組件間信號交聯(lián)關(guān)系

信息通信功能塊完成所有板間通信信號的接收和發(fā)送，包括人機(jī)交互組件、I2C通信組件和ARINC429通信組件。人機(jī)交互組件為調(diào)試專用接口，完成重要電氣參數(shù)和信息的輸出、維護(hù)信息的編輯、故障日志的導(dǎo)出以及工廠模式下程序的升級和維護(hù)。I2C通信組件接收上層應(yīng)用的控制命令，執(zhí)行負(fù)載通道的輸出控制。ARINC429通信組件接收上層應(yīng)用的飛行關(guān)鍵信息，并將所有軟硬件運(yùn)行狀態(tài)匯總并上傳。

4 軟件功能驗(yàn)證

軟件功能驗(yàn)證采用硬件結(jié)果測試和軟件子功能塊測試用例測試相結(jié)合的方式。功率控制功能塊采用硬件結(jié)果測試的方式，通過調(diào)節(jié)輸出的脈沖調(diào)制方波，使用示波器觀測主控制電路輸出的電壓、電流波形，并對波形的紋波進(jìn)行分析，結(jié)果顯示軟件對功率變換電路的閉環(huán)控制作用良好，輸出電壓穩(wěn)定、紋波小，輸入電壓前饋控制響應(yīng)速度滿足要求。軟件其他功能塊采用測試用例分別進(jìn)行測試，測試結(jié)果表明各軟件功能塊和對應(yīng)的功能組件均可達(dá)到預(yù)設(shè)的結(jié)果。

5 結(jié) 語

開關(guān)電源的數(shù)字控制避免了使用外圍電路復(fù)雜的集成控制芯片，不僅具有控制方式靈活、控制精度高、閉環(huán)響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，同時兼顧了對外圍硬件的監(jiān)控和管理以及板間通信的功能。經(jīng)過測試和分析，該嵌入式數(shù)字控制軟件達(dá)到了預(yù)期的控制效果，具備良好的工程應(yīng)用價值。