CN114430225A - 一种用于惯性平台电气系统的外置高集成智能自监测电源系统 - Google Patents

Abstract

一种用于惯性平台电气系统的外置高集成智能自监测电源系统，采用独立数控的电源系统，通过引入高度集成电源模块，外置于平台系统功能电路和本体之外，可用于提供惯性平台系统所需的多组隔离的交直流电源，同时具备自监测功能，将实现一次电源变换的相关电路集中在外置于电气系统的结构框架内，实现外置的、高集成、智能监测的电源系统，解决了传统平台系统内功能电路多种电源分散独立设计的不足。

Description

一种用于惯性平台电气系统的外置高集成智能自监测电源 系统

技术领域

本发明涉及一种用于惯性平台电气系统的外置高集成智能自监测电源系统，属于惯性导航技术领域。

背景技术

高集成智能化电源系统是惯性平台电气系统的根基，其电源的稳定性、抗扰能力、长期通电可靠性将直接影响平台系统的功能和精度，进而影响战略武器的实战性能和精度。传统电源采用分散结构，在一次电源后，在个功能电路的单板前端设置电源模块电路，实现所需的二次电源。分散的电源供电模式，导致大功率电源模块存在单板上，单板温度高，全部集成在一个密闭空间内，造成整体电气系统的环境温度较高，影响长期通电的使用寿命；同时，大功率电源模块存在于具有精度的电路板上，电磁环境对电路干扰大，对部分电路的精度存在影响；此外，分散的电源模块结构，难以实现各个电源的实时采样监测，一旦出现电源损坏，必须单板逐个排查，影响维修进度。本发明适应平台系统电源多样、高精度、高可靠性的需求特点，采用基于嵌入式机和DC/DC组合的方案，实现外置高集成智能自监测电源系统，进而保证平台系统的电源供电寿命和质量。

为适应平台系统电源长期可靠供电的需求，不同于传统电源分散的设计方式，本设计将电源模块和电源主控单元集中在一个外置的金属结构内，通过4束总线与电气系统进行连接的方式，从而实现了一种更换灵活、隔离彻底的外置电源系统。电源模块在平台电气系统中是主要的发热来源，同时其内部的开关频率是平台电气系统的主要干扰源。而其所提供的电源信号质量是保证电气系统正常运转和平台精度的基础。传统的分散电源模块设计，热量聚集严重且干扰大，不易维修更换。本发明设计的高集成智能化的外置电源系统，不仅利于降低整个电气系统的环境温度，增强平台电气系统使用寿命，而且可通过高精度的自监测系统实时判读电源质量，保障平台系统工作过程中电源的安全、可靠。

随着对于平台电气系统内信号干扰问题认知的加深，和数字处理器的广泛应用，为适应平台系统的负载信号特点与自监测的功能需求，本发明通过使用高度的集成电路，可实现多路交直流隔离输出、全部输出电源自监测的功能，同时具备根据不同平台系统的电源特点扩展、裁剪二次电源的能力，便于平台实现负载的调整和换型。

如何在保证电源功耗和效率的前提下，提升电源的洁净程度，降低高频开关信号对电气系统的干扰，是本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，传统平台系统内功能电路多种电源分散独立设计的不足，提出了一种用于惯性平台电气系统的外置高集成智能自监测电源系统。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种用于惯性平台电气系统的外置高集成智能自监测电源系统，包括外置集成电源、电气系统功能电路，所述外置集成电源设置于电气系统功能电路外的密闭箱体结构中，通过互联电缆线束与电气系统功能电路进行电气互联，并通过螺钉、密封圈进行结构互联安装，所述外置集成电源外挂于电气系统功能电路外侧进行独立供电及供电监测。

所述外置集成电源由经过滤波电路处理的外部电源供电，并通过四根互联电缆线束进行供电种类分布，外部电源输入的集成电源信号经由四根互联电缆线束分为：直流仪表供电信号、直流数字电路供电信号、交流激磁及马达供电信号、通讯和控制信号。

所述直流仪表供电信号为为电气系统功能电路中的仪表进行供电，包括±12V、±15V、±5V三路直流电压，各供电路间电气隔离以减少干扰。

所述直流数字电路供电信号为电气系统功能电路中的集成电路进行数字电源供电，实现电气系统功能电路内负载的CPU同时上电工作。

所述交流激磁及马达供电信号为电气系统功能电路中的各传感器、马达提供激磁及交流电源。

所述激磁及交流电源通过电气系统功能电路中的集成电路进行控制以生成不同频率下的交流信号，并根据各仪表定制三相方波、正弦的输出信号。

所述通讯和控制信号通过电气系统功能电路中的各通讯串口，接收外部控制指令，根据电气系统功能电路的具体工况，进行各路供电信号的上电及断电控制，并实时反馈各路供电信号模拟量的电压、幅值及频率。

所述外置集成电源采用扁片式结构，挂装于电气系统功能电路箱体外侧以进行热源外移，采用DSP设计及FPGA设计实现各路供电信号的实时监测及精度控制。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提供的一种用于惯性平台电气系统的外置高集成智能自监测电源系统，采用电源外置于电气系统的结构设计，将电源在结构上、温度场上与平台内的其他电气系统进行了物理隔离。面对平台产品的长寿命使用需求，电源外置起到了更好的散热作用，相较于传统的分散式电源模块设计，此发明大幅度降低了平台电气系统的环境温度，有效延长了产品使用寿命，对外的发射干扰降低，提升了电气系统的电磁兼容性，电气系统内敏感电路、精度电路所受影响明显降低；

(2)本发明采用高度集成的电源模块设计，减少了混合电路的数量，降低了功耗，节省空间为电源模块提供更多采样电路和嵌入式主控芯片的设置空间，提升了电源系统的智能化、自监测功能，并通过DSP与FPGA结合的方式设计核心控制单元，提升了智能化水平，可以实现电源模块的控制算法，并实现多路模拟量的采集与转换，最终实现集成电源的自监测功能，通过在线指令，实现集成电源的断调平、自检功能，实现功能多样化。

附图说明

图1为发明提供的智能自监测电源系统功能组成框图；

图2为发明提供的集成电源电路设计实施案例图；

具体实施方式

一种用于惯性平台电气系统的外置高集成智能自监测电源系统，为独立数控的电源系统，外置于平台系统功能电路和本体之外，可用于提供惯性平台系统所需的多组隔离的交直流电源，同时具备自监测功能，系统具体结构包括：

外置集成电源、电气系统功能电路，外置集成电源设置于电气系统功能电路外的密闭箱体结构中，通过互联电缆线束与电气系统功能电路进行电气互联，并通过螺钉、密封圈进行结构互联安装，外置集成电源外挂于电气系统功能电路外侧进行独立供电及供电监测；

具体的，外置集成电源由经过滤波电路处理的外部电源供电，并通过四根互联电缆线束进行供电种类分布，外部电源输入的集成电源信号经由四根互联电缆线束分为：直流仪表供电信号、直流数字电路供电信号、交流激磁及马达供电信号、通讯和控制信号；

直流仪表供电信号为为电气系统功能电路中的仪表进行供电，包括±12V、±15V、±5V三路直流电压，各供电路间电气隔离以减少干扰；

直流数字电路供电信号为电气系统功能电路中的集成电路进行数字电源供电，实现电气系统功能电路内负载的CPU同时上电工作；

交流激磁及马达供电信号为电气系统功能电路中的各传感器、马达提供激磁及交流电源；

激磁及交流电源通过电气系统功能电路中的集成电路进行控制以生成不同频率下的交流信号，并根据各仪表定制三相方波、正弦的输出信号；

通讯和控制信号通过电气系统功能电路中的各通讯串口，接收外部控制指令，根据电气系统功能电路的具体工况，进行各路供电信号的上电及断电控制，并实时反馈各路供电信号模拟量的电压、幅值及频率；

外置集成电源采用扁片式结构，挂装于电气系统功能电路箱体外侧以进行热源外移，采用DSP设计及FPGA设计实现各路供电信号的实时监测及精度控制。

下面根据具体实施例进行进一步说明：

在当前实施例中，通过引入高度集成电源模块，将实现一次电源变换的相关电路集中在外置于电气系统的结构框架内，实现外置的、高集成、智能监测的电源系统，其中：

适应平台电气系统的外置高集成智能自监测电源系统，包括金属密封框架、外接插线束、电源电路模块，金属密封框架的尺寸可根据使用需求进行定制。金属的密封结构有效提升了电源系统的电磁环境，同时减少了对外部的电磁干扰。

外接线束为4根引出线和对接插头组成，将强弱电源、交直流电源分组通过不同线束，避免线路上的干扰。引出线可根据实际平台使用需求，调整接口形式，采用屏蔽线保护和螺钉紧固方式，有效保证信号的质量和安装的可靠性。整个电源系统通过4跟插头与外部相连实现电信号的输入输出。

如图1所示，本发明外置、高集成、智能化带自监测的电源系统，通过结构和电气的独立设计实现。在平台电气系统中，功能电路单独存放在一个箱体结构中，外置的电源系统密封在另一个箱体结构中。两者通过四根功能线缆实现电气互联；通过螺钉和密封圈的安装方式，实现结构互联。整体来看，电源系统外挂于平台电气系统外侧，具备独立的供电、监测功能。

本发明采用外置集成电源，负责提供平台所有二次电源。考虑到平台电气系统供电的复杂特点，其所需要的电源种类繁多，根据4根互联电缆线束的分布特点，将集成电源的信号分为四组：主要分为直流仪表供电、直流数字电路供电、交流激磁和马达供电、通讯和控制信号。

第一组为直流电源，为仪表供电所用，主要提供±12V、±15V、±5V的多组直流电压，各组之间电气隔离，以减少仪表电气回路之间的干扰。

第二组为直流电源，主要为电气系统的大量集成电路提供数字电源，其电源具备输出功率大、涉及功能电板多的特点。其瞬时上电的电流负载能力强，可确保平台负载电气系统内的全部CPU同时上电工作。

第三组为交流电源，主要为平台内的传感器、马达提供激磁和交流电源。其可通过内部集成电路控制，实现不同频率下的交流信号，同时针对仪表特点定制实现三相方波、正弦的输出。

第四组为通讯和控制信号，主要实现集成电源的程序升级、控制、监测功能。通过多种通讯串口，外挂集成电源可根据平台系统上层控制指令，实现各组电源的指令控制，按照平台的工况，实现电源的顺序上电和顺序断电，同时实时反馈各路电源模拟量的电压、幅值和频率。

体积小，不足平台电气系统的五分之一。以扁片式结构外挂于电路箱外，占用空间少，电缆可通过插拔替换，维修方便。

散热快，扁片式的外观，可有效增大电源系统对平台系统外部的散热面积，从而实现将平台系统的热源外移，降低整个电气系统的环境温度，降低精度保温电路的温控点，从整体上延长了元器件的使用寿命。

集成智能化，使用多种芯片实现控制和监测功能。采用DSP设计，实现控制算法、保证电源的输出精度；同时使用FPGA设计，可实现几十余路电源信号的同时监测功能。

实施例1：为验证本发明的实用性和正确性，对多套电源系统进行平台系统匹配测试、环境应力测试、电源冲击测试等，测试其电源的精度、稳定性和可靠性等均良好，可抵抗住全部恶劣环境、负载波动造成电源波动，同时能时刻维持电源监测功能。同时根据外接需求变化，配合不同类型的平台系统，其可以完全应对外接负载变化的调整需求。其良好的电源隔离特点，使其匹配不同类型平台后，依然能保持电源间信号干扰少、功率供应组，经过环境试验考核，其性能表现优良，输出稳定，设计余量充足。如图2所示，给出了该电源系统在高温60℃环境下，长期加电的电源监测量。整个过程中电源系统为平台供电，平台处在多工作模式下，电源监测量稳定，噪声干扰少，不受环境温度和负载变化的影响。可以说明，本发明的设计可适应多种严苛环境的考验，为平台系统提供高精度的电源。同时经过长达3年的长期通电使用以及反复上电使用的监测数据返回值进行比较，其输出的电源稳定，可保证长期使用的稳定性。

具体的，本发明的技术方案降低了平台电气系统的环境温度，电气系统温控点可降低20℃左右，有效延长了产品使用寿命，并于外置电源内采用PWM控制大功率开关管，采用这种外置集成电源和金属密封的模式，使其对外的发射干扰降低，提升了电气系统的电磁兼容性，尤其电气系统内敏感电路、精度电路的影响明显降低。

高度集成的电源模块外挂于主体电气系统之外，体积不足八分之一，却可以实现数十只电源模块的监测和控制。传统的分散式电源在各个单板上均存在电源模块，不方便为每一个模块分别设置控制、监测等配套电路，会占用大量空间，且部分电源电路在原理上是可以复用的。而采用高集成电源后，不仅减少了混合电路的数量，降低了功耗，其节省的空间也使得电源模块中可更多的采样电路和嵌入式主控芯片，从而使电源系统的智能化、自监测成为了可能。

核心控制单元采用DSP与FPGA结合的方式，使电源系统实现了智能化。分发挥DSP擅长于处理控制算法、FPGA适合多通道的并行数据采集和分频的特点，不仅可以实现电源模块的控制算法，还可以实现多路模拟量的采集与转换，最终实现集成电源的自监测功能，同时可通过在线指令，实现集成电源的断调平、自检等功能。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种用于惯性平台电气系统的外置高集成智能自监测电源系统，其特征在于：

包括外置集成电源、电气系统功能电路，所述外置集成电源设置于电气系统功能电路外的密闭箱体结构中，通过互联电缆线束与电气系统功能电路进行电气互联，并通过螺钉、密封圈进行结构互联安装，所述外置集成电源外挂于电气系统功能电路外侧进行独立供电及供电监测。

2.根据权利要求1所述的一种用于惯性平台电气系统的外置高集成智能自监测电源系统，其特征在于：

所述外置集成电源由经过滤波电路处理的外部电源供电，并通过四根互联电缆线束进行供电种类分布，外部电源输入的集成电源信号经由四根互联电缆线束分为：直流仪表供电信号、直流数字电路供电信号、交流激磁及马达供电信号、通讯和控制信号。

3.根据权利要求2所述的一种用于惯性平台电气系统的外置高集成智能自监测电源系统，其特征在于：

所述直流仪表供电信号为为电气系统功能电路中的仪表进行供电，包括±12V、±15V、±5V三路直流电压，各供电路间电气隔离以减少干扰。

4.根据权利要求3所述的一种用于惯性平台电气系统的外置高集成智能自监测电源系统，其特征在于：

所述直流数字电路供电信号为电气系统功能电路中的集成电路进行数字电源供电，实现电气系统功能电路内负载的CPU同时上电工作。

5.根据权利要求4所述的一种用于惯性平台电气系统的外置高集成智能自监测电源系统，其特征在于：

所述交流激磁及马达供电信号为电气系统功能电路中的各传感器、马达提供激磁及交流电源。

6.根据权利要求5所述的一种用于惯性平台电气系统的外置高集成智能自监测电源系统，其特征在于：

所述激磁及交流电源通过电气系统功能电路中的集成电路进行控制以生成不同频率下的交流信号，并根据各仪表定制三相方波、正弦的输出信号。

7.根据权利要求6所述的一种用于惯性平台电气系统的外置高集成智能自监测电源系统，其特征在于：

所述通讯和控制信号通过电气系统功能电路中的各通讯串口，接收外部控制指令，根据电气系统功能电路的具体工况，进行各路供电信号的上电及断电控制，并实时反馈各路供电信号模拟量的电压、幅值及频率。

8.根据权利要求7所述的一种用于惯性平台电气系统的外置高集成智能自监测电源系统，其特征在于：

所述外置集成电源采用扁片式结构，挂装于电气系统功能电路箱体外侧以进行热源外移，采用DSP设计及FPGA设计实现各路供电信号的实时监测及精度控制。

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