基于電源控制的獨立模塊設計

張凱

摘 ?要： 該設計通過獨立模塊的應用，以實現電源獨立控制為目的，進而在電源設備工作期間，從人工干預、運行成本、工作效率三方面進行改善。其工作方式分本控和遠控兩種：在本控方式下，電源控制模塊向站控計算機發送電路分機的工作狀態；在遠控方式下，電源控制模塊除向站控計算機發送電路分機的工作狀態外，還接收并執行站控計算機送來的各種命令、引導信息，根據信息對電源工作狀態經行調整，實現無人工干預的獨立電源。

關鍵詞： 獨立模塊； 電源控制； 控制電路； 引導信息

中圖分類號： TN86?34； TM910 ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 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 ?控制模塊的主要任務

對于電路控制系統來說，控制模塊的主要任務是根據指令穩定可靠地控制電源運行。此外，控制模塊擔負著供電、監控和實時統計任務。電源控制系統連接如圖1所示。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼31t1.tif>；

圖1 電源控制系統連接圖

1.1 ?控制模塊任務

控制模塊的任務主要指：控制模塊與計算機的信息傳輸；控制模塊與編碼器的信息傳輸；控制模塊與接收機的信息傳輸；控制模塊與驅動系統的信息傳輸；控制模塊與極化控制系統的信息傳輸。

本系統的位置編碼器選用套軸旋轉變壓器，PDU向旋轉變壓器輸出激磁電壓并且實時接收旋轉變壓器送來的數據，編碼后通過RS 232串口將編碼數據發送給電源控制模塊，采樣周期為20 Hz。

電源控制模塊與接收機的接口：

模擬接口。接收機向電源控制模塊提供誤差電壓、AGC電平。

數字接口。電源控制模塊控制接收機頻率和極化，并采樣得到接收機當前頻率和極化。

1.2 ?電源控制模塊的監控管理任務

監控與管理是電源控制模塊的核心任務，是系統可靠工作的保證。電源控制模塊可對控制系統各模塊的關鍵狀態、模板端口進行檢測。

檢測內容：電源狀態檢測，包括電源預限位、終限位、急停、方位、俯仰和第三軸插拔鎖等狀態。

1.3 ?人機接口的管理

在Windows XP環境下進行人機界面設計，中文操作環境和提示、儀表仿真接口。在系統檢測到故障信息時彈出故障顯示框，并做出相應處理。

1.4 ?數據存儲功能

數據存儲文件可實現記錄系統運行所采集的多種數據。

1.5 ?人機界面

按照技術協議書對測角監控計算機模塊的功能要求，本著實用、可靠、先進的原則，設計人機界面友好、便于操作和控制的畫面。

主界面宏觀設計框架如圖2所示。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼31t2.tif>；

圖2 電源控制模塊人機界面

2 ?電源控制模塊工作方式概述

電源控制模塊主要方式有以下幾種：待機，速度手控，指令位置，程序跟蹤，自動跟蹤，收藏。endprint

2.1 ?待機

系統發生故障時自動進入待機方式。在待機方式下，制動器抱閘，驅動被禁止。

2.2 ?速度手控

對電源座的方位、俯仰、第三軸實施速度控制，是一種常用的大角度調轉方式，也可以用于手動跟蹤和電源維護。

2.3 ?位置控制

（1） 用戶命令控制是最常用的方式。在命令控制下，方位、俯仰、第三軸均按位置環閉環方式工作。依據位置指令來源和操作使用的差異，位置控制分為位置指令、位置增量等方式。無論哪種控制方式，電源各軸的當前位置和指令位置都顯示在顯示屏上。

位置指令由面板的鍵盤直接輸入，主要用于電源大角度調轉，使電源準確地停在預定的位置。

（2） 位置增量

位置指令來自位置步距，主要用于電源位置的精密調整。

2.4 ?程序跟蹤

程序跟蹤是指接收站管理分系統的調度命令、軌道預報數據并據此產生電源指向數據，電源隨動于該指令數據。在程序跟蹤過程中，可以依據接收機誤差信號大小對程序跟蹤軌跡實現在線修正。在非正常工作狀態時，程序跟蹤是有效的執行任務的工作方式。

另外掃描功能常用來輔助捕獲目標。該功能僅在位置控制和程序跟蹤兩種工作方式下有效。當該功能使能后，電源將按照操作手預設的參數進行掃描運動；一旦接收機鎖定或信號電平達到捕獲門限，電源控制模塊將自動轉入自動跟蹤方式。掃描方式和掃描參數可以從前面板選擇，掃描方式分為方位掃描、俯仰掃描、15°斜向掃描三種方式[1]；掃描參數包括掃描速度、掃描范圍等。

2.5 ?收藏功能

用于把電源置于設定的收藏位置。

2.6 ?自動化測試

自動化測試項目有：

（1） 最大速度。以最大速度驅動電源，記錄各個整秒之間的位置差并找出最大值，這個最大值就是最大速度。

（2） 最大加速度。以最大速度驅動電源，并記錄各個工作周期之間的位置差，這個位置差就是每個工作周期的即時速度。計算每相鄰兩個周期的速度差并找出最大值，這個最大值就是最大加速度。

（3） 收斂特性。首先在找到零點后，偏轉電源方位和俯仰轉入自跟蹤并記錄數據，通過記錄的數據繪制實時曲線。

（4） 過渡過程。在位置指向工作方式下做階躍響應并記錄數據，根據記錄的數據繪制曲線，通過這些數據可以計算出調整時間、超調量和電路帶寬。

（5） 跟蹤精度。做若干次自跟蹤并記錄每次跟蹤后的角度數據，根據這些統計數據計算出跟蹤精度。

（6） 指向精度。首先驅動電源到某一個點后設為零點，然后偏轉電源再指向零點，電源穩定后記錄角度數據，重復此步驟若干次后計算均值和方差。

3 ?電源控制模塊的硬件構成

在電源控制模塊設備組成上選用計算機控制系統，根據不同需要可以選用不同模板的特點，為系統功能的升級與擴展提供便利。Windows環境操作平臺使人機界面更加靈活、友好，支持多種編程語言和開發工具。

電源控制模塊機箱采用臺灣產研華工控機箱。機箱內安裝有CPU主板、硬盤、顯卡、A/D采集卡、D/A轉換卡、通信卡、母板等[2]。

位置環帶寬及加速度常數[Ka]能做多大直接取決于結構諧振頻率的大小。位置環設計為典型的二階系統，其校正運算在計算機內完成。在保證跟蹤精度的前提下，盡量提高系統的動態性能。

環路帶寬主要受諧振頻率和阻尼系數的限制，其關系如下：

[fB=14～17fL]

式中：[fB]是電路帶寬；[fL]是結構鎖定轉子諧振頻率。

位置環采用復合控制方式，以給出的速度命令作為前饋通道的命令，本系統設計中選定穿越頻率[ωc=1.57，]根據以下公式確定位置環的轉折頻率點：

[1T3=ωc2.4=1.572.4=0.65]

[1T2=2.4?ωc=2.4×1.57=3.76]

[Ka=0.91]

電源控制系統由于受結構諧振頻率的限制，跟蹤回路帶寬、加速度常數都不能做得很高。根據計算結果，對于12 m口徑的電源，其結構諧振頻率大約為1 Hz。以此為基礎設計的二階無靜差電路系統，其[Ka]約為1。因此為了提高跟蹤精度，減小動態滯后，必須采用計算機輔助跟蹤，使系統的加速度常數和無靜差度進一步提高。

在電源電路系統中減小動態滯后、提高無靜差度的有效方法為目標速度前饋。目標速度前饋就是把目標的速度通過一個網絡正饋到速度回路輸入端[3]。因此，利用站控計算機將位置引導數據按照一定的時間間隔進行處理，產生目標位置的微分，作為一個輔助跟蹤信號，正饋到速度回路輸入端，其原理圖如圖3所示。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼31t3.tif>；

圖3 復合控制原理圖

4 ?軸角編碼與時碼模塊

任務書要求軸角編碼模塊實時同步編碼，以20 Hz的速率串行傳送電源方位、俯仰、第三軸軸角編碼數據，并需同時具備B碼時頻終端功能：外時統工作方式下需解調IRIG?B（DC）碼信號，產生時間信息和本分系統所需的與B碼參考碼元前沿嚴格同步的各路同步信號；內時統工作方式下自行產生本分系統所需的各路同步信號[4]。充分考慮任務要求后，將二者一體化設計為基于AVR單片機的以“MCU+CPLD”為主體的系統。

工程選用了AVR單片機作為系統MCU，AVR單片機是Atmel公司推出的全新配置的精簡指令集（Reduced Instruction Set CPU）單片機。Atmel在設計AVR系列單片機時吸取PIC及8051單片機的優點，并作了重大改進。endprint

5 ?系統工作原理

為了確保軸角編碼數據及解調數據的正確無誤，設計時采用了雙MCU方案，并實現了時頻終端兩種工作方式的自動轉換，在無外輸入的狀態下自動轉入內時統工作方式，有外輸入時自動轉入外時統工作方式，無需人工干預[5]。

接收外部20 Hz同步信號作為軸角編碼數據管理MCU外部中斷源，在中斷服務程序中完成角度數據的采集、編碼及串行輸出；另一片MCU對IRIG?B（DC）碼時間信息進行軟件解碼，實現兩種工作方式的自動轉換功能，同時管理與外部設備的串行通信（20 Hz）和顯示控制，而IRIG?B（DC）碼秒同步信號的提取及各同步信號的產生由一片CPLD完成。此外，兩片MCU之間由串行通信進行信息的傳遞。

軸角編碼數據管理MCU實時將角度數據送解調MCU（20 Hz），由解調MCU將編碼角度數據每幀數據加時標輸出（20 Hz）[6]，即送上位機的每幀數據中既包含當前方位、俯仰角信息，又包含當前時間信息，有效避免了上位機由于接收數據漏幀或同步信號受干擾而引起的角度數據與時間信息不匹配的問題，為數據處理時測角數據的正確性提供了很好的保證。同時，軸角編碼數據管理MCU還與上位機進行通信，可以對編碼角度方便地進行零值標定：MCU接收上位機傳送的零值標定角度寫入內置E2PROM，將編碼角度加上E2PROM中的零值標定角度即可。

觸摸顯示屏在驅動機柜門板上鑲嵌使用，設計中選用了PWS6600C?S觸摸屏作為顯示操作元件，其界面美觀，可操作性好[7]。多界面切換功能，可方便地實現零位調整、匹配值更改、內時統時間調整以及粗精碼的顯示功能。ADP6軟件強大的巨集指令應用方式，使人機得以經由內部巨集指令（Macro Function）功能執行數值運算、邏輯判斷、流程控制、數值通信、數值轉換、計時器、計數器、自定通信指令操作等[8]。

6 ?電源控制模塊軟件設計思想

軟件是電源控制模塊不可缺少的組成部分。從某種意義上講，它是電源控制模塊中最重要的組成部分。軟件的質量是電源控制模塊研制是否成功的關鍵。因此，在電源控制模塊的研制設計中，按照《軍用軟件開發規范》GJB2786?96的標準[9]開展軟件設計工作，對軟件的開發要做到思想重視、嚴格要求，堅持軟件工程化開發與管理，確保軟件開發質量。

7 ?結 ?語

電源控制模塊的設計將嚴格按照工程的要求，認真做好用戶的需求分析、概要設計和詳細設計，制定完整的計劃和標準，確保所開發的電源控制模塊滿足各項技術要求，并在此基礎上完成電源控制模塊的調試、測試、驗收等。

電源控制模塊的主要任務是指揮協調硬件設備完成相應的功能。宏觀上講，電源控制模塊的功能主要有電源控制功能、設備監控功能、信息顯示功能、網絡通信功能、數據存儲功能等。

參考文獻

[1] 俞海珍，馮浩.電磁兼容技術及其在PCB設計中的應用[J].電子機械工程，2004（4）：80?82.

[2] 劉潔.多模式開關電源控制器設計[D].西安：西安科技大學，2013.

[3] 劉明雨.多級電壓電流混合補償的跟蹤電源研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2012.

[4] 焦喜香，敬嵐，喬為民，等.基于CPLD和ATMEGAL128的數字電源系統的設計[J].核電子學與探測技術，2010（1）：71?74.

[5] 邵聯合，黃桂梅.直流開關穩壓電源的設計[J].輕工科技，2014（3）：42?43.

[6] 黃新燕.關于通信電源維護與管理的探討[J].電源技術應用，2013（10）：86?88.

[7] 王潔云，秦彬.DC/DC直流電源系統在通信電源系統中的應用[J].電源技術應用，2013（10）：56?58.

[8] 王勇，付鳳平，安琪.解析EPS電源原理及實際應用[J].電源技術應用，2013（10）：35?37.

[9] 鄭英蘭，李兵.低電壓大電流開關電源的設計[J].儀表技術與傳感器，2010（9）：63?64.endprint

5 ?系統工作原理

為了確保軸角編碼數據及解調數據的正確無誤，設計時采用了雙MCU方案，并實現了時頻終端兩種工作方式的自動轉換，在無外輸入的狀態下自動轉入內時統工作方式，有外輸入時自動轉入外時統工作方式，無需人工干預[5]。

接收外部20 Hz同步信號作為軸角編碼數據管理MCU外部中斷源，在中斷服務程序中完成角度數據的采集、編碼及串行輸出；另一片MCU對IRIG?B（DC）碼時間信息進行軟件解碼，實現兩種工作方式的自動轉換功能，同時管理與外部設備的串行通信（20 Hz）和顯示控制，而IRIG?B（DC）碼秒同步信號的提取及各同步信號的產生由一片CPLD完成。此外，兩片MCU之間由串行通信進行信息的傳遞。

軸角編碼數據管理MCU實時將角度數據送解調MCU（20 Hz），由解調MCU將編碼角度數據每幀數據加時標輸出（20 Hz）[6]，即送上位機的每幀數據中既包含當前方位、俯仰角信息，又包含當前時間信息，有效避免了上位機由于接收數據漏幀或同步信號受干擾而引起的角度數據與時間信息不匹配的問題，為數據處理時測角數據的正確性提供了很好的保證。同時，軸角編碼數據管理MCU還與上位機進行通信，可以對編碼角度方便地進行零值標定：MCU接收上位機傳送的零值標定角度寫入內置E2PROM，將編碼角度加上E2PROM中的零值標定角度即可。

觸摸顯示屏在驅動機柜門板上鑲嵌使用，設計中選用了PWS6600C?S觸摸屏作為顯示操作元件，其界面美觀，可操作性好[7]。多界面切換功能，可方便地實現零位調整、匹配值更改、內時統時間調整以及粗精碼的顯示功能。ADP6軟件強大的巨集指令應用方式，使人機得以經由內部巨集指令（Macro Function）功能執行數值運算、邏輯判斷、流程控制、數值通信、數值轉換、計時器、計數器、自定通信指令操作等[8]。

6 ?電源控制模塊軟件設計思想

軟件是電源控制模塊不可缺少的組成部分。從某種意義上講，它是電源控制模塊中最重要的組成部分。軟件的質量是電源控制模塊研制是否成功的關鍵。因此，在電源控制模塊的研制設計中，按照《軍用軟件開發規范》GJB2786?96的標準[9]開展軟件設計工作，對軟件的開發要做到思想重視、嚴格要求，堅持軟件工程化開發與管理，確保軟件開發質量。

7 ?結 ?語

電源控制模塊的設計將嚴格按照工程的要求，認真做好用戶的需求分析、概要設計和詳細設計，制定完整的計劃和標準，確保所開發的電源控制模塊滿足各項技術要求，并在此基礎上完成電源控制模塊的調試、測試、驗收等。

電源控制模塊的主要任務是指揮協調硬件設備完成相應的功能。宏觀上講，電源控制模塊的功能主要有電源控制功能、設備監控功能、信息顯示功能、網絡通信功能、數據存儲功能等。

參考文獻

[1] 俞海珍，馮浩.電磁兼容技術及其在PCB設計中的應用[J].電子機械工程，2004（4）：80?82.

[2] 劉潔.多模式開關電源控制器設計[D].西安：西安科技大學，2013.

[3] 劉明雨.多級電壓電流混合補償的跟蹤電源研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2012.

[4] 焦喜香，敬嵐，喬為民，等.基于CPLD和ATMEGAL128的數字電源系統的設計[J].核電子學與探測技術，2010（1）：71?74.

[5] 邵聯合，黃桂梅.直流開關穩壓電源的設計[J].輕工科技，2014（3）：42?43.

[6] 黃新燕.關于通信電源維護與管理的探討[J].電源技術應用，2013（10）：86?88.

[7] 王潔云，秦彬.DC/DC直流電源系統在通信電源系統中的應用[J].電源技術應用，2013（10）：56?58.

[8] 王勇，付鳳平，安琪.解析EPS電源原理及實際應用[J].電源技術應用，2013（10）：35?37.

[9] 鄭英蘭，李兵.低電壓大電流開關電源的設計[J].儀表技術與傳感器，2010（9）：63?64.endprint

5 ?系統工作原理

為了確保軸角編碼數據及解調數據的正確無誤，設計時采用了雙MCU方案，并實現了時頻終端兩種工作方式的自動轉換，在無外輸入的狀態下自動轉入內時統工作方式，有外輸入時自動轉入外時統工作方式，無需人工干預[5]。

接收外部20 Hz同步信號作為軸角編碼數據管理MCU外部中斷源，在中斷服務程序中完成角度數據的采集、編碼及串行輸出；另一片MCU對IRIG?B（DC）碼時間信息進行軟件解碼，實現兩種工作方式的自動轉換功能，同時管理與外部設備的串行通信（20 Hz）和顯示控制，而IRIG?B（DC）碼秒同步信號的提取及各同步信號的產生由一片CPLD完成。此外，兩片MCU之間由串行通信進行信息的傳遞。

軸角編碼數據管理MCU實時將角度數據送解調MCU（20 Hz），由解調MCU將編碼角度數據每幀數據加時標輸出（20 Hz）[6]，即送上位機的每幀數據中既包含當前方位、俯仰角信息，又包含當前時間信息，有效避免了上位機由于接收數據漏幀或同步信號受干擾而引起的角度數據與時間信息不匹配的問題，為數據處理時測角數據的正確性提供了很好的保證。同時，軸角編碼數據管理MCU還與上位機進行通信，可以對編碼角度方便地進行零值標定：MCU接收上位機傳送的零值標定角度寫入內置E2PROM，將編碼角度加上E2PROM中的零值標定角度即可。

觸摸顯示屏在驅動機柜門板上鑲嵌使用，設計中選用了PWS6600C?S觸摸屏作為顯示操作元件，其界面美觀，可操作性好[7]。多界面切換功能，可方便地實現零位調整、匹配值更改、內時統時間調整以及粗精碼的顯示功能。ADP6軟件強大的巨集指令應用方式，使人機得以經由內部巨集指令（Macro Function）功能執行數值運算、邏輯判斷、流程控制、數值通信、數值轉換、計時器、計數器、自定通信指令操作等[8]。

6 ?電源控制模塊軟件設計思想

軟件是電源控制模塊不可缺少的組成部分。從某種意義上講，它是電源控制模塊中最重要的組成部分。軟件的質量是電源控制模塊研制是否成功的關鍵。因此，在電源控制模塊的研制設計中，按照《軍用軟件開發規范》GJB2786?96的標準[9]開展軟件設計工作，對軟件的開發要做到思想重視、嚴格要求，堅持軟件工程化開發與管理，確保軟件開發質量。

7 ?結 ?語

電源控制模塊的設計將嚴格按照工程的要求，認真做好用戶的需求分析、概要設計和詳細設計，制定完整的計劃和標準，確保所開發的電源控制模塊滿足各項技術要求，并在此基礎上完成電源控制模塊的調試、測試、驗收等。

電源控制模塊的主要任務是指揮協調硬件設備完成相應的功能。宏觀上講，電源控制模塊的功能主要有電源控制功能、設備監控功能、信息顯示功能、網絡通信功能、數據存儲功能等。

參考文獻

[1] 俞海珍，馮浩.電磁兼容技術及其在PCB設計中的應用[J].電子機械工程，2004（4）：80?82.

[2] 劉潔.多模式開關電源控制器設計[D].西安：西安科技大學，2013.

[3] 劉明雨.多級電壓電流混合補償的跟蹤電源研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2012.

[4] 焦喜香，敬嵐，喬為民，等.基于CPLD和ATMEGAL128的數字電源系統的設計[J].核電子學與探測技術，2010（1）：71?74.

[5] 邵聯合，黃桂梅.直流開關穩壓電源的設計[J].輕工科技，2014（3）：42?43.

[6] 黃新燕.關于通信電源維護與管理的探討[J].電源技術應用，2013（10）：86?88.

[7] 王潔云，秦彬.DC/DC直流電源系統在通信電源系統中的應用[J].電源技術應用，2013（10）：56?58.

[8] 王勇，付鳳平，安琪.解析EPS電源原理及實際應用[J].電源技術應用，2013（10）：35?37.

[9] 鄭英蘭，李兵.低電壓大電流開關電源的設計[J].儀表技術與傳感器，2010（9）：63?64.endprint