CN108964433B - 一种基于pwm闭环控制的全过程浪涌电流抑制通用化装置及控制方法 - Google Patents

一种基于pwm闭环控制的全过程浪涌电流抑制通用化装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

一种新型基于PWM闭环控制的全过程浪涌电流抑制通用化装置及控制方法，包括：DSP控制器、MOSFET管、ADC采样电路、采样电阻；采样电阻能够采集MOSFET管源极和漏极的电流；ADC采样电路，能够对采样电阻两端的电压进行实时采集；DSP控制器周期性读取时采集的结果，并根据采集的结果实现对MOSFET管源极和漏极的电流实时监控；当出现浪涌电流，能够通过调节DSP控制器自身产生的PWM输出信号的占空比，实现对MOSFET管栅极与源极电压差进行控制，用于实现对航天器上使用的复杂设备在初始上电及后续分步加电过程中产生的浪涌电流进行抑制。同时，本发明对于设备发生闩锁或其他故障导致短路时具有同样的保护作用。

Description

一种基于PWM闭环控制的全过程浪涌电流抑制通用化装置及 控制方法
技术领域
本发明涉及一种新型基于PWM闭环控制的全过程浪涌电流抑制通用化装置及控制方法，即一种浪涌电流抑制通用化装置，可以在航天飞行器、卫星设备等对一次母线保护要求比较高的场合应用；属于航空航天电气、精密仪器及控制技术领域。
背景技术
当前，为了提高一次电源输出功率，在空间站、货运飞船、卫星等功率密度比较高的航天飞行器中，一次母线均使用较高电压等级(100V)。在这种趋势的引领下，如何安全、可靠的使用一次母线为星上各单机设备供电，同时当负载设备发生闩锁故障或者意外短路时如何保护一次电源不受影响，从而保证整星、整站正常运转已经成为航天电气研究的热点之一。
随着货运飞船的成功发射、空间站即将发射升空，我国航天领域的整站、整船的设备数量和种类均较以往有较大幅度的增加。不同种类的设备根据使用需求往往加电时间不固定，并且其负载特性也是不一样的。甚至一些复杂的单机设备内部，根据自身功能需要也分模块进行加电。每一次加电瞬间，对应不同的负载特性都会产生不一样浪涌电流对一次母线造成冲击。除此之外，当航天设备发生闩锁故障等导致短路时，如果不采取保护措施也会对一次母线造成损害，甚至会损毁。
现今船上、星上设备使用的浪涌抑制电路多为无源的，通过模拟电路控制MOSFET软启动，从而达到固定单一的浪涌电流的抑制效果。各个单机设备使用的浪涌电流抑制电路的参数设计都不尽相同。此种电路在实际工程应用过程中发现RC参数不好选择，并且设计完成后不好进行更改。并且，对于有分部上电需求的复杂单机设备，当初始上电后MOSFET即已完全导通，当后续再有大负载瞬间开启时产生的浪涌电流会对一次母线造成损害，而此时MOSFET已完全开启，无法对浪涌电流进行抑制，传统的浪涌抑制电路此时已失效。
发明内容
本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种新型基于PWM闭环控制的全过程浪涌电流抑制通用化装置及控制方法，采用精确数字控制电路的形式替代传统模拟电路用于实现对航天器上使用的复杂设备在初始上电及后续分步加电过程中产生的浪涌电流进行抑制。同时，本发明对于设备发生闩锁或其他故障导致短路时具有同样的保护作用。除此之外，本发明可以大大简化船上星上设备的电路，并且可以成为独立的通用化使用的装置，实现星上设备浪涌电路通用化设计、数字化精确化设计。
本发明解决的技术方案为：一种新型基于PWM闭环控制的全过程浪涌电流抑制通用化装置，包括：DSP控制器、MOSFET管、ADC采样电路、采样电阻；
采样电阻能够采集MOSFET管源极和漏极的电流；
ADC采样电路，能够对采样电阻两端的电压进行实时采集；
DSP控制器周期性读取时采集的结果，并根据采集的结果实现对MOSFET管源极和漏极的电流实时监控；当出现浪涌电流，能够通过调节DSP控制器自身产生的PWM输出信号的占空比，实现对MOSFET管栅极与源极电压差进行控制，从而实现对电流的控制。
DSP控制器包括PWM模块、SPI接口，SPI接口实时读取ADC采样电路的采样结果，当采样电阻两端的电压大于等于设定的阈值，则调低DSP控制器自身产生的PWM输出信号的占空比，实现采样电阻上电流抑制；当采样电阻两端的电压小于设定的阈值，则表示采样电阻上电流正常，无需抑制。
采用精确数字控制电路的形式控制MOSFET管栅极与源极电压差，从而实现精确控制MOSFET管由初始关闭状态缓慢开启过程。
ADC采样电路在采集到采样电阻两端压降突然增大即出现浪涌电流，DSP控制器能够将输出的PWM信号的占空比降低，通过外部感性电路滤波，将MOSFET管的源栅极电压差调低，从而实现了对浪涌电流的调节抑制。
ADC采样电路通过SPI接口获取到采样电阻两端压降突然增大即出现浪涌电流时，对源极电流进行判断，当源极电流超过额定电流2倍以上时，起动控制策略，即将输出的PWM信号的占空比降低，通过外部滤波电路，将MOSFET管的源栅极电压差调低，从而实现了对浪涌电流的调节抑制。
DSP控制器通过SPI接口实时采集采样电阻两端的电压。
当全过程浪涌电流抑制通用化装置后端的负载发生闩锁故障或者其它故障引起短路现象发生时，MOSFET管源极电流会瞬间超过额定值的十倍以上，DSP控制器通过ADC采样电路检测到该浪涌电流后会将PWM输出信号占空比调至零，从而将MOSFET管关断，实现对一次母线的保护。
采样电阻为四个并联的电阻组成的并联网络，一端与MOSFET管的漏极相连，另一端连接外部滤波电路的电源负输入端，外部滤波电路的电源正输入端连接100V母线，外部滤波电路的电源输出端通过电压变换装置连接外部负载。
MOSFET管的源极与栅极之间连接电阻R2，MOSFET管的栅极依次通过电阻R1与电感器与DSP控制器相连；MOSFET管的源极连接100V一次母线的回线。
当工作过程中，外部负载突然增大的工况发生时，MOSFET管漏极的电流会突然增加，采样电阻两端的电压差增加，ADC采样电路采集到电压差的突增，反馈给DSP控制器，由DSP控制器对自身产生的PWM输出信号的占空比进行调低，实现采样电阻上电流抑制。
一种新型基于PWM闭环控制的全过程浪涌电流抑制通用化装置的控制方法，步骤如下：
(1)采样电阻实时采集MOSFET管源极和漏极的电流；
(2)ADC采样电路对步骤(1)采样电阻两端的电压进行实时采集；
(3)DSP控制器周期性读取步骤(2)采集的结果；
(4)根据步骤(3)采集的结果实现对MOSFET管源极和漏极的电流实时监控；
(5)在步骤(4)实时监控过程中检测是否出现浪涌电流，若出现则通过调节DSP控制器自身产生的PWM输出信号的占空比，实现对MOSFET管栅极与源极电压差进行控制，否则不调节DSP控制器自身产生的PWM输出信号的占空比。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明采用了脉宽调制技术(PWM)与负反馈控制电路实现对单机设备的浪涌电流抑制作用。负反馈控制电路稳定性好，对于不同负载的适应性较强。
(2)本发明实现了全过程状态下的浪涌电流抑制功能，对于复杂的有分步上电需求的单机设备，传统的软启动方式只能实现上电初始的浪涌电流抑制，无法满足全过程状态下的浪涌电流抑制要求。
(3)本发明实现了浪涌电流持续时间、幅值可调节，可以适应不同系统提出的指标要求。
(4)本发明较传统的模拟电路实现数字化精确控制，抗扰性能增强，同时参数可调，可使用场合范围宽。
(5)本发明实现了通用化设计，串联在回路中使用。可以将整船、整星上的单机浪涌抑制电路剥离出来，实现模块化、统一化设计。
(6)本发明可以对设备芯片发生闩锁及其他故障引起的短路情况进行保护。
附图说明
图1为新型基于PWM闭环控制的全过程浪涌电流抑制通用化装置的原理框图；
图2为新型基于PWM闭环控制的全过程浪涌电流抑制通用化装置控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。
本发明一种新型基于PWM闭环控制的全过程浪涌电流抑制通用化装置及控制方法，装置包括：DSP控制器、MOSFET管、ADC采样电路、采样电阻；采样电阻能够采集MOSFET管源极和漏极的电流；ADC采样电路，能够对采样电阻两端的电压进行实时采集；DSP控制器周期性读取时采集的结果，并根据采集的结果实现对MOSFET管源极和漏极的电流实时监控；当出现浪涌电流，能够通过调节DSP控制器自身产生的PWM输出信号的占空比，实现对MOSFET管栅极与源极电压差进行控制，用于实现对航天器上使用的复杂设备在初始上电及后续分步加电过程中产生的浪涌电流进行抑制。同时，本发明对于设备发生闩锁或其他故障导致短路时具有同样的保护作用。
本发明的一种新型基于PWM闭环控制的全过程浪涌电流抑制通用化装置可以在航天飞行器、卫星设备等对一次母线保护要求比较高的场合应用。用于实现对航天器上使用的复杂设备在初始上电及后续分步加电过程中产生的浪涌电流进行抑制。与此同时，当星上设备发生闩锁或出现其他故障导致短路情况时，本保护装置对瞬间产生的大电流具有抑制作用。除此之外，本发明可以大大简化船上星上设备的电路，可以成为独立的通用化、精确化、数字化使用的装置。
本发明一种新型基于PWM闭环控制的全过程浪涌电流抑制通用化装置，包括：DSP控制器、MOSFET管、ADC采样电路、采样电阻，如图1所示；采样电阻能够采集MOSFET管源极和漏极的电流；ADC采样电路，能够对采样电阻两端的电压进行实时采集；
DSP控制器包括PWM模块、SPI接口，SPI接口实时读取ADC采样电路的采样结果，当采样电阻两端的电压大于等于设定的阈值，则调低DSP控制器自身产生的PWM输出信号的占空比，实现采样电阻上电流抑制；当采样电阻两端的电压小于设定的阈值，则表示采样电阻上电流正常，无需抑制。本控制策略采用的负反馈控制电路稳定性好，对于不同负载的适应性较强
DSP控制器周期性读取时采集的结果，并根据采集的结果实现对MOSFET管源极和漏极的电流实时监控；当出现浪涌电流，能够通过调节DSP控制器自身产生的PWM输出信号的占空比，实现对MOSFET管栅极与源极电压差进行控制，从而实现精确控制MOSFET管由初始关闭状态缓慢开启过程，从而实现对电流的控制。
ADC采样电路在采集到采样电阻两端压降突然增大即出现浪涌电流，DSP控制器能够将输出的PWM信号的占空比降低，通过外部感性电路滤波，将MOSFET管的源栅极电压差调低，从而实现了对浪涌电流的调节抑制，本调节方式采用数字化精确控制，抗扰性能增强，同时参数可调，可使用场合范围宽。
DSP控制器通过SPI接口获得ADC采样电路采集的数据。工作流程如图2所示，当采样电阻两端压降突然增大即出现浪涌电流时，对源极电流进行判断，当源极电流超过额定电流2倍以上时，起动控制策略，即将输出的PWM信号的占空比降低，通过外部滤波电路，将MOSFET管的源栅极电压差调低，从而实现了对浪涌电流的调节抑制。
当全过程浪涌电流抑制通用化装置后端的负载发生闩锁故障或者其它故障引起短路现象发生时，MOSFET管源极电流会瞬间超过额定值的十倍以上，DSP控制器通过ADC采样电路检测到该浪涌电流后会将PWM输出信号占空比调至零，从而将MOSFET管关断，实现对一次母线的保护。
MOSFET管的源极与栅极之间连接电阻R2，MOSFET管的栅极依次通过电阻R1与电感器与DSP控制器相连；MOSFET管的源极连接100V一次母线的回线。通过控制DSP输出PWM占空比来实现对MOSFET管的开启程度的精确化控制。当工作过程中，外部负载突然增大的工况发生时，MOSFET管漏极的电流会突然增加，采样电阻两端的电压差增加，ADC采样电路采集到电压差的突增，反馈给DSP控制器，由DSP控制器对自身产生的PWM输出信号的占空比进行调低，从而调低MOSFET管源极与栅极之间的电压差，使MOSFET管工作在半开启状态，实现对采样电阻上电流的抑制。
如图1所示，本装置选择TI公司的DSP2812为控制器，ADC芯片保证可以对2路模拟量进行实时采样，具有SPI通讯接口、MOSFET可以根据需要自行选择，R1、R2阻值根据MOSFET的开启电压进行选择。回路中需要串联进4个1Ω的并联采样电阻。ADC对采样电阻两端(对应图1中A、B点)的电压进行实时采集。控制器的通用外设接口与ADC芯片的SPI连接。
参阅图1图2，系统上电初始化后进入10μS中断等待周期。进入中断服务程序后首先判断A、B之间是否有电流。若A、B之间无电流，说明MOSFET未开启，此时若A、B点电压大于15V则说明正母线已上电。由于MOSFET工作特性，此时栅极电压低于开启阈值，沟道未开启，源极无电流，此时开始控制PWM输出，进入初始上电过程，缓慢开启MOSFET，从而实现上电过程的浪涌电流的抑制功能。
当MOSFET完全开启后，A、B点电压应被拉到与负母线相同。此时，AB点之间电流应该为额定值，系统进入正常工作阶段。当有新负载开启时，瞬间电流会增大，此时调低控制器的PWM占空比，使MOSFET处于半开启状态，从而实现全过程浪涌电流抑制作用。此后将PWM电路恢复输出。
当设备后端出现闩锁或其他故障导致线路短路发生时，AB点之间的电流瞬间增大。此时，控制器切断PWM输出并不再响应定时器中断，关断MOSFET，将一次母线与故障设备隔离。
本发明的一种新型基于PWM闭环控制的全过程浪涌电流抑制通用化装置的控制方法，步骤如下：
(1)采样电阻实时采集MOSFET管源极和漏极的电流；
(2)ADC采样电路对步骤(1)采样电阻两端的电压进行实时采集；
(3)DSP控制器周期性读取步骤(2)采集的结果；
(4)根据步骤(3)采集的结果实现对MOSFET管源极和漏极的电流实时监控；
(5)在步骤(4)实时监控过程中检测是否出现浪涌电流，若出现则通过调节DSP控制器自身产生的PWM输出信号的占空比，实现对MOSFET管栅极与源极电压差进行控制，否则不调节DSP控制器自身产生的PWM输出信号的占空比。
本发明采用了脉宽调制技术(PWM)与负反馈控制电路实现对单机设备的浪涌电流抑制作用。负反馈控制电路稳定性好，对于不同负载的适应性较强。本发明实现了全过程状态下的浪涌电流抑制功能，对于复杂的有分步上电需求的单机设备，传统的软启动方式只能实现上电初始的浪涌电流抑制，无法满足全过程状态下的浪涌电流抑制要求。本发明实现了浪涌电流持续时间、幅值可调节，可以适应不同系统提出的指标要求。
本发明较传统的模拟电路实现数字化精确控制，抗扰性能增强，同时参数可调，可使用场合范围宽。本发明实现了通用化设计，串联在回路中使用。可以将整船、整星上的单机浪涌抑制电路剥离出来，实现模块化、统一化设计。本发明可以对设备芯片发生闩锁及其他故障引起的短路情况进行保护。
综上所述，以上仅为本发明较佳的实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所作出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种新型基于PWM闭环控制的全过程浪涌电流抑制通用化装置，其特征在于包括：DSP控制器、MOSFET管、ADC采样电路、采样电阻；
采样电阻能够采集MOSFET管源极和漏极的电流；
ADC采样电路，能够对采样电阻两端的电压进行实时采集；
DSP控制器周期性读取实时采集的结果，并根据采集的结果实现对MOSFET管源极和漏极的电流实时监控；当出现浪涌电流，能够通过调节DSP控制器自身产生的PWM输出信号的占空比，实现对MOSFET管栅极与源极电压差进行控制；瞬间电流会增大时，此时调低控制器的PWM占空比，使MOSFET处于半开启状态，从而实现全过程浪涌电流抑制作用；
MOSFET管的源极与栅极之间连接电阻R2，MOSFET管的栅极通过电阻R1与电感器的一端相连，电感器的另一端与DSP控制器相连；MOSFET管的源极连接100V一次母线的回线；
当全过程浪涌电流抑制通用化装置后端的负载发生闩锁故障或者其它故障引起短路现象发生时，MOSFET管源极电流会瞬间超过额定值的十倍以上，DSP控制器通过ADC采样电路检测到该浪涌电流后会将PWM输出信号占空比调至零，从而将MOSFET管关断，实现对一次母线的保护；
ADC采样电路在采集到采样电阻两端压降突然增大即出现浪涌电流，DSP控制器能够将输出的PWM信号的占空比降低，通过外部感性电路滤波，将MOSFET管的源栅极电压差调低，从而实现了对浪涌电流的调节抑制；
采样电阻的两端分别为A和B，若A、B之间无电流，说明MOSFET未开启，此时若A、B点电压大于15V则说明正母线已上电，由于MOSFET工作特性，此时栅极电压低于开启阈值，沟道未开启，源极无电流，此时开始控制PWM输出，进入初始上电过程，缓慢开启MOSFET，从而实现上电过程的浪涌电流的抑制功能。
2.根据权利要求1所述的一种新型基于PWM闭环控制的全过程浪涌电流抑制通用化装置，其特征在于：DSP控制器包括PWM模块、SPI接口，SPI接口实时读取ADC采样电路的采样结果，当采样电阻两端的电压大于等于设定的阈值，则调低DSP控制器自身产生的PWM输出信号的占空比，实现采样电阻上电流抑制；当采样电阻两端的电压小于设定的阈值，则表示采样电阻上电流正常，无需抑制。
3.根据权利要求1所述的一种新型基于PWM闭环控制的全过程浪涌电流抑制通用化装置，其特征在于：采用精确数字控制电路的形式控制MOSFET管栅极与源极电压差，从而实现精确控制MOSFET管由初始关闭状态缓慢开启过程。
4.根据权利要求1所述的一种新型基于PWM闭环控制的全过程浪涌电流抑制通用化装置，其特征在于：ADC采样电路通过SPI接口获取到采样电阻两端压降突然增大即出现浪涌电流时，对源极电流进行判断，当源极电流超过额定电流2倍以上时，起动控制策略，即将输出的PWM信号的占空比降低，通过外部滤波电路，将MOSFET管的源栅极电压差调低，从而实现了对浪涌电流的调节抑制。
5.根据权利要求1所述的一种新型基于PWM闭环控制的全过程浪涌电流抑制通用化装置，其特征在于：DSP控制器通过SPI接口实时采集采样电阻两端的电压。
6.根据权利要求1所述的一种新型基于PWM闭环控制的全过程浪涌电流抑制通用化装置，其特征在于：采样电阻为四个并联的电阻组成的并联网络，一端与MOSFET管的漏极相连，另一端连接外部滤波电路的电源负输入端，外部滤波电路的电源正输入端连接100V母线，外部滤波电路的电源输出端通过电压变换装置连接外部负载。
7.根据权利要求1所述的一种新型基于PWM闭环控制的全过程浪涌电流抑制通用化装置，其特征在于：当工作过程中，外部负载突然增大的工况发生时，MOSFET管漏极的电流会突然增加，采样电阻两端的电压差增加，ADC采样电路采集到电压差的突增，反馈给DSP控制器，由DSP控制器对自身产生的PWM输出信号的占空比进行调低，实现采样电阻上电流抑制。
8.一种新型基于PWM闭环控制的全过程浪涌电流抑制通用化装置的控制方法，其特征在于步骤如下：
(1)采样电阻实时采集MOSFET管源极和漏极的电流；MOSFET管的源极与栅极之间连接电阻R2，MOSFET管的栅极通过电阻R1与电感器的一端相连，电感器的另一端与DSP控制器相连；MOSFET管的源极连接100V一次母线的回线；
(2)ADC采样电路对步骤(1)采样电阻两端的电压进行实时采集；
(3)DSP控制器周期性读取步骤(2)采集的结果；
(4)根据步骤(3)采集的结果实现对MOSFET管源极和漏极的电流实时监控；
(5)在步骤(4)实时监控过程中检测是否出现浪涌电流，若出现则通过调节DSP控制器自身产生的PWM输出信号的占空比，实现对MOSFET管栅极与源极电压差进行控制，否则不调节DSP控制器自身产生的PWM输出信号的占空比，当全过程浪涌电流抑制通用化装置后端的负载发生闩锁故障或者其它故障引起短路现象发生时，MOSFET管源极电流会瞬间超过额定值的十倍以上，DSP控制器通过ADC采样电路检测到该浪涌电流后会将PWM输出信号占空比调至零，从而将MOSFET管关断，实现对一次母线的保护。
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