自行火炮系统中固态功率控制器的应用

徐博宁，白 静，张 鹏，徐建峰

(1.西北机电工程研究所， 陕西 咸阳 712099; 2.总装备部驻咸阳地区军事代表室，陕西 咸阳 712099)

自行火炮必须在继承传统基础上，应用高新技术不断创新发展，才能更好地适应未来战争的需要[1]。现代自行火炮系统的任务属性逐渐趋向于复杂化与精细化，使得用电设备数量相应增加，从而对供配电系统的可靠性提出了更高的要求。传统的机电式配电系统将难以满足系统工作需要，采用固态功率控制器(Solid-State Power Controller，SSPC)实现模块化的固态配电技术是自行火炮系统发展的趋势。

作为传统配电方式中的继电器和过载保护器的替代，固态功率控制器的应用不仅可以根据任务的需求实现对负载的通断控制，而且能够在负载或配电线路出现故障时，为电源和配电系统提供全面保护；同时，固态配电技术与自行火炮综合管理技术相结合，能够实现电源系统的统一管理和自主运行，为自行火炮系统的管理提供大量有用信息，从而大大提高系统工作的可靠性。

1 固态配电技术

SSPC模块是固态配电技术的核心器件，其作用与传统的断路器、保险丝与继电器串联的联合体相似，但其功能、性能大大优于这些传统装置。采用微处理器和外围电路实现对SSPC模块进行控制、与外设交换数据等功能的板卡，称之为SSPC板。

1.1 固态配电工作原理

使用了SSPC板的固态配电模拟系统，其工作原理为：系统上电后，首先SSPC板进行自检和初始化，报告上电结果，然后上报初始化状态，此时，所有SSPC模块通道均处于关断状态，若上报的结果中有故障，则根据故障回报进行故障定位、隔离及维修；其次，CPU既可以通过双余度总线(RS485和CAN总线)接收来自上位机的指令，对指令进行解析，控制模块的通、断，从而形成对负载的控制，也可以接收来自SSPC通道控制模块上传的负载信息，如电流、电压、短路、过流、开路、轻载、空载及模块工作温度，并上报给上位机。

SSPC板工作原理如图1所示，其中，异步串行SCI总线是微机与外设之间进行数据传输的常用总线，由一条数据输入线和一条数据输出线构成。信号线STn为处理器对SSPC通道模块的片选信号，CMDn为处理器与SSPC通道模块间的指令信号线。

1.2 优点

在自行火炮系统中，采用SSPC模块的固态配电技术与传统的机电式配电相比，具有以下优点：

1)能够提高配电的可靠性，具有全面的保护功能。它能够快速的零电压接通或零电流断开电路而不产生电弧；其内部无活动部件，不会产生机械磨损，故障率低，可靠性高；过载时按反延时特性“跳闸”，保护电气负载和设备线路，并具有电气隔离措施，抗干扰能力强[2]。

2)减小配电系统的体积与质量。采用SSPC替代传统继电器，能够为自行火炮系统节省大量空间，减轻配电元件和线路的重量；相比传统配电箱，作为独立板卡，SSPC板方便于系统集成。

3)能够实现配电的统一管理。采用SSPC控制板收集火炮工作时的大量用电信息，火炮综合管理系统通过对信息的提取，能够实现自行火炮系统配电的统一管理。

基于以上几点，在实验室进行了自行火炮系统内部直流28 V电压的固态配电仿真设计及试验，对其功能、性能进行了全面地摸底和了解。

2 自行火炮系统固态配电模拟

现代自行火炮系统复杂、单体众多，通常以直流28 V作为控制或计算单元的工作电压。在试验室，使用直流固态功率控制板(简称“DC SSPC板”)进行12路直流28 V负载的配电试验，模拟实现为自行火炮系统内部12个单体工作配电，用来验证固态配电技术在自行火炮系统中应用的可行性。结合选用的DC SSPC板特点，制定了以下具体方案。

2.1 总体配电连接关系设计

由于DC SSPC板上集中了12路配电模块，所以，对应的就有12路负载连接接口，DC SSPC板各接口定义见表1，具体的配电连接关系如图2所示。

2.2 接口选择及参数设置

通过对DC SSPC板上通信接口的了解，并结合自行火炮实际情况，选择CAN口为DC SSPC板的对外通信接口。考虑CAN的总线型拓扑具有布线简单的特点[3]， DC SSPC板与其他单体采用总线型网络拓扑，其中通信参数设置如表2所示[4]。

表1 DC SSPC板各接口信号定义

表2 通信参数设置表

2.3 通信协议制定

2.3.1 时序分配和地址码、屏蔽码设计

根据自行火炮中CAN总线的实际应用情况，为配电模拟系统中的各节点进行了时序分配和地址码、屏蔽码的设置[5]。其中为DC SSPC板所分配的时序为第16 ms(以系统时钟上升沿为起始)，地址码和屏蔽码设置如表3所示。

表3 DC SSPC板地址码与屏蔽码设置

2.3.2 数据指令设计

根据系统工作原理描述，DC SSPC板与综合管理系统(上位机)之间进行通信，内容主要包含向综合管理系统上报的数据和综合管理系统下发的指令，具体数据指令内容如下：

1)用电设备状态信息(向综合管理系统上报)：DC SSPC板上电之后，报告1～12路用电节点与DC SSPC通道的连接关系，并上报上电自检测的结果。如存在故障，即发送SPDA(Secondary Power Distribution Assembly)维护信息及故障隔离信息帧，信息帧见表4。

表4 用电设备状态信息帧

2)DC SSPC板工作状态信息(向综合管理系统上报)：DC SSPC板进入工作状态后，每1个时钟周期(20 ms)上报1次工作状态信息，每次只上报1个通道，依次报完12个通道的工作状态信息(240 ms)，间隔2 s后，从第1个通道开始继续重复之前上报过程。

其中工作状态信息包含工作过程中出现正常/非正常情况下的接通、关断、过流保护跳闸、短路保护跳闸信息，以及SSPC通道控制模块上传的负载状态——短路、过流、开路、轻载信息，还有实时变化的通道电压、电流和模块工作温度信息，信息帧见表5。

3)SPDA维护信息和周期BIT(Built-in test)信息(向综合管理系统上报)：除了能够进行上电自检外，DC SSPC板还能够进行SPDA维护和周期性自检，周期BIT信息每20 s上报1次，信息帧见表6。

表5 工作状态信息帧

4)通断控制指令、复位指令(综合管理系统下发信息)：DC SSPC板能够实现对通道负载的开通/关断/复位控制，信息帧见表7。

表6 SPDA维护及周期BIT信息帧

表7 通断控制和复位指令信息帧

3 软件控制界面

本系统上层控制软件采用Windows+RTX操作系统，以C和C++为开发语言，开发环境使用Tornado2.2，以Tilicon作为图形开发工具，以综合管理系统综合管理计算机为硬件平台。完成后的配电显示与控制界面，如图3所示。

配电显示与控制界面主要包含信息显示部分、通道控制部分。信息显示部分能够显示各通道的开机自检、电缆连接、工作(含启动和正常)、短路、过流、空载、轻载、周期自检和温度等信息，以及通道当前负载的实时电压、电流值。如图3中显示通道5、6、9、11、12正处于开通工作状态，其余通道显示为空载状态，其中5通道显示当前电压值为28.34 V，电流值为0.48 A，温度为30℃。通道控制部分能够完成单通道或组通道操控，通过选择能够实现通道的开通、关断和复位等操作，尤其是组通道操控模式，对于实现自行火炮全系统工作“一键上电”具有很好的应用前景。如图4所示，显示12路通道同时被选中，点击“发送”按键后，12路通道同时被开通的情况，其中只有5和12通道连接有负载，所以显示有电流值。

4 结束语

本文对固态功率控制器在自行火炮系统中的应用进行了简要描述，在实验室构建了自行火炮供配电模拟系统，通过结合自行火炮系统总线、综合管理等总体技术，对采用了固态功率控制器的固态配电技术进行了应用验证。结果表明，在自行火炮系统中采用固态功率控制器原理可行，能够为系统节省空间、减轻重量，便于系统集成，与综合管理相结合，能够实现系统配电的统一管理和系统工作有用信息的提取，提高了自行火炮系统信息化程度。

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