大功率数字脉冲电源分布式控制网络

孙宏杰，鲁 伟，陈洪涛

(中国电子科技集团有限公司第十八研究所，天津 300384)

随着固体激光器与光纤激光器的快速发展，大功率半导体激光器得到了广泛的应用，大功率半导体激光器驱动电源技术已成为高能激光的重要核心技术[1-3]。激光脉冲电源在大功率、智能化、高精度等方面提出了迫切需求，而数字电源具有灵活度高、集成度高、动态响应好、可以实现复杂功能的优势，使数字电源技术在航天、军事等领域电源中的应用越来越广泛[4-7]，同时也成为大功率脉冲电源技术发展的一个重要方向。目前，国内关于小电流、小功率、高稳定度的激光数字脉冲电源技术研究很多[8]，而大电流、大功率、高稳定度的激光载荷用数字脉冲电源尚处于探索阶段。如何解决大功率数字脉冲电源控制系统中大功率数字脉冲电源控制方法存在的系统控制流程繁琐、系统安全可靠性不高、系统容易受到电磁干扰导致系统死机失控、系统兼容性、灵活性不高、维护效率低等问题，对大功率数字脉冲电源分布式软件控制方法提出的新的需求。

1 系统总体设计

大功率数字脉冲电源分布式系统方案如图1 所示，大功率数字脉冲电源分布式系统由平台供电输入、高功率蓄电池组、蓄电池组接入模块、电源控制设备、负载设备组成，其中电源控制设备控制网络包括星务计算机网络层、同步控制网络层、分布式脉冲触发网络层(可扩展多个模块)。高功率蓄电池组采用超高功率锂离子电池蓄电池作为供电输入，在激光载荷工作时，蓄电池工作于高倍率放电模式，这样可以最大限度降低蓄电池组的并联数量，减小、减轻蓄电池组的体积和质量。

图1 数字脉冲电源系统方案框图

星务计算机网络层根据采集到的激光分系统、热控分系统、电源分系统相关控制参数，判断当前是否满足激光器出光的工作条件。当满足工作条件时，根据工况选择相应的参数注入同步控制网络层，参数包括工作模式(手动调试模式、半自动适应模式、全自动自适应模式)、工作电流档位、输出使能控制标志、脉冲时间占空比参数、脉冲工作频率、脉冲输出时间、分布式控制模块编号及相应的使能控制标志，控制同步控制网络层同步信号输出；同时，同步控制网络层提供广播模式和点对点两种网络交互方式，实现脉冲触发网络层分布式模块功率输出控制；脉冲触发网络层将各分布式模块工程参数通过总线网络反馈至星务计算机网络层。

星务计算机网络层配置参与本工况输出的分布式模块编号并使使能模块控制发送至同步控制网络层，同步控制网络层根据接收到的控制数据，设置相应的分布式模块同步输出信号，待接收到星务计算网络层发送的启动输出的控制参数，启动分布式模块同步信号输出控制并输出同步信号至脉冲触发网络层，控制各个分布式模块功率输出控制，级联实现500 kW 大功率输出。

2 分布式控制网络设计

本系统设计的大功率数字脉冲电源分布式控制网络通过星务计算机网络、同步控制网络、脉冲触发网络三层控制网络实现，如图2 所示。

图2 数字脉冲电源分布式控制网络架构框图

(1)星务计算机网络层

星务计算机网络层包括星务计算机控制电路、RS422 总线通信控制电路、模拟量采集电路。

星务计算机网络设计采用DSP 为核心的TMS570LC4357微处理器系统，具备双核控制系统，集成EDAC 功能的SRAM、ROM 等存储器，包含多路CAN 总线接口、UART(RS422)接口等硬件资源。本系统方案中星务计算机网络层采用RS422 总线通信方式，通过专用RS422 接口芯片以通信波特率115 200 kbps 速度实现与同步控制网络层的数据交互。其中，遥控指令包括工作模式设置指令、工作电流档位设置指令、输出使能控制指令、脉冲时间占空比参数设置指令、脉冲工作频率设置指令、脉冲输出时间设置指令、分布式控制模块编号及相应的使能控制指令、启动/停止出光控制指令；遥测参数包括蓄电池组电压、放电电流、工作状态参数、单机温度量遥测等参数。

星务计算机网络根据当前电池电量及各个网络工作状态，决策当前状态是否满足激光载荷单次出光的功率需求，当满足激光载荷需求时，根据任务调度规划，通过RS422 总线发送启动/停止出光控制指令，控制系统激光载荷大功率输出。

(2)同步控制网络层

同步控制网络层包括遥测数据采集电路、同步时序控制电路、RS422 总线通信控制电路、CAN 总线通信控制电路、计算机控制电路。

同步控制网络层设计采用FPGA 架构系统，内嵌ARM 核处理器系统，集成ECC 功能的SRAM、FLASH 等存储器，包含多路CAN 总线接口、UART(RS422)接口、AD 等硬件资源。同步控制网络层通过RS422 总线通信接口接收星务计算机网络层发送的总线指令数据，解析并执行相应的指令操作，配置同步控制网络层工作参数、启动/停止出光控制、轮询脉冲触发网络层遥测参数，同时，将各个分布脉冲触发网络层的遥测参数通过RS422 总线上传至星务计算机网络层；通过CAN总线发送脉冲配置参数至各个脉冲触发网络层，待收到遥测轮询指令时，接收各个脉冲触发网络层遥测参数进行组帧，并支持广播与点对点两种控制方式；通过同步时序控制模块配置参与功率输出的脉冲触发网络层个数及编号，从而达到灵活配置输出功率大小。

同步控制网络层集成多路同步信号接口，控制各个脉冲触发网络层脉冲同步输出。为了提高同步信号在大功率脉冲电源抗电磁干扰能力，同步控制网络层的同步信号采取差分形式传输。同时，设计同步信号有两次连续三脉冲信号组成(如图3 所示)，脉冲触发模块软件边沿检测程序识别边沿数量对同步信号进行检测，首次，连续三个脉冲提示各个分布式模块提前做好输出准备工作，间隔一段时间后同步控制网络输出第二次三脉冲同步控制信号，脉冲触发模块检测到第二次三脉冲同步信号开始启动脉冲功率输出，大大提高系统稳定性及同步性。

图3 同步控制网络层同步信号控制时序图

(3)脉冲触发网络层

脉冲触发网络层由多级分布式脉冲触发模块构成(根据输出功率需求进行扩展)，脉冲触发模块包括计算机控制电路、遥测采集电路、同步监测电路、PWM 输出控制电路、CAN总线通信控制电路。

脉冲触发网络层设计采用DSP 为核心的TMS320F28335微处理器系统，最高主频150 MHz，包含CAN 总线接口、PWM控制接口、AD 等硬件资源。本系统方案中脉冲触发网络层采用CAN 总线通信接口实现与同步控制网络层的数据交互(包含脉冲参数配置指令、遥测轮询指令、遥测参数数据)。

脉冲触发模块设计三路级联Buck 电感储能型电路进行功率输出，系统根据AD 采集模块采集到的电压、电流遥测信息进行数字PID 计算调节PWM 输出占空比，从而实现对输出功率的控制，具体控制原理如下文所述。图4 为脉冲成形电路示意图。

图4 脉冲成形电路示意图

以单个Buck 电感储能型电路进行分析可知，Sp1为主功率变换开关，负责将输入功率变换为脉冲负载所需的功率；Lp1为拓扑电感，用于主功率变换开关Sp1在进行功率变换过程中的储能；Dp1为续流二极管，用于主功率变换开关Sp1关断时给储能电感提供续流回路；Sp2为辅助开关，为脉冲负载的感性部分和储能电感提供续流回路，使得负载获得较陡的脉冲边沿；Dp2为输出隔离二极管，防止可能的反向电流损坏激光器载荷。

通过控制Buck 电感储能型电路功率开关Sp1和Sp2的时序控制，可实现陡峭的脉冲边沿。在脉冲开始初期，Sp1导通，Sp2关断，当电感电流上升至较大值时，Sp1工作于PWM 模式，将较大的电感电流值瞬间转移至负载中，负载电流上升边沿陡峭；而在脉冲结束时，控制Sp2的关断，负载电流瞬间减小，下降沿陡峭。

待接收到同步控制网络层的差分同步信号后，开始启动脉冲输出，单次脉冲触发流程图如图5 所示。上电启动后，设置相应的工作参数，等待同步信号到来，同步信号到达后，控制PWM1、PWM2、PWM3 开始脉冲输出，计算脉冲时间是否到达设置时间，到达设置时间停止本次脉冲输出，未到达时间继续循环PWM1、PWM2、PWM3 脉冲输出。

图5 单次脉冲输出控制流程图

本系统通过采用数字分布式集中控制，利用了DSP+FPGA+DSP 多系统三级协同控制网络，实现了500 kW 大功率高品质电源输出控制。

3 系统试验

依据本文数字脉冲电源分布式控制网络设计，开发研制了500 kW 大功率数字脉冲电源分布式系统，并完成了与蓄电池组、激光载荷的系统联试工作，脉冲电源控制设备与蓄电池联试平台如图6 所示。

图6 脉冲电源控制设备与蓄电池联试平台

大功率数字脉冲电源分布式控制网络设计的三层控制网络运行稳定，满足系统对同步控制、分布式控制、脉冲功率输出控制设计要求，试验中脉冲功率输出如图7 所示。试验结果与系统控制设计要求符合情况如表1 所示。

表1 试验结果与设计要求符合情况表

图7 数字脉冲电源脉冲功率输出图

4 结论

航天激光脉冲载荷电源系统正向着大功率、智能化、多用途的方向发展，而数字电源又具有灵活度高、集成度高、动态响应好、可以实现复杂功能的优势，符合大功率航天激光载荷电源系统的需求。本系统提出的数字电源分布式控制网络可以灵活地根据使用工况需求配置分布式电源输出各种模式及参数，增加了控制系统的灵活性与兼容性，同时设计调试模式方便系统维护，提高了系统的可维护性；同步控制信号采用双层连续脉冲控制及边沿检测策略，防止了大功率输出下的电磁干扰问题，大大提高了系统的稳定性、可靠性，系统的同步性；系统采用三级控制网络，减少了各模块资源调配复杂情况，能够保障系统安全可靠的运行。