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基于DSP的全数字化火炮驱动直流电源的设计 徐国富 潘孟春 国防科技大学机电工程与自动化学院 摘 要：本文介绍了一种采用ADMC331 DSP为控制核心的全数字化火炮驱动直流电源的设计与实现，仿真和实验都证明该系统具有很好的运行性能和实用价值。 关键词：直流电源 双管正激 ADMC331 1 引 言 为适应现代战争，越来越多的武器装备进行了信息化改造，加装了数字化电子设备，因此其驱动电源对武器装备作战性能产生了重大影响，如增强其作战隐蔽性、可靠性和电子系统的抗干扰性等。传统的驱动电源多为模拟控制或者模拟与数字相结合的控制系统，其可靠性差、结构复杂、成本偏高且不利于产品更新换代。因此，现代的驱动电源都朝着全数字化、智能化及网络化的方向发展，随着高性能的数字信号处理器（DSP）的出现，驱动电源全数字化的实现已经成为可能。我们在对某型加农火炮进行信息化改造的过程中，对其DC-DC直流驱动电源进行了全数字化改造和设计，减少了所需的元器件，增加了系统的可靠性，克服了电子设备长期受到供电不稳和大噪音的困扰，较传统的方式体现了明显的优势。 本文在对ADMC331进行详细分析的基础上，重点介绍了采用ADMC331 DSP为控制核心的全数字化驱动直流电源的设计与实现，并通过仿真和实验加以验证。 2 ADMC331的结构特点 ADMC331是美国模拟器件公司（ADI）推出的基于DSP技术的电机控制器，它将高性能DSP内核ADSP2171与丰富的外围控制线路集成于单片芯片中,大大简化了硬件设计,为用户快速、高效地开发控制器创造十分有利的条件。其主要特性如下：①集成了一个26MIPS（每秒百万条指令）定点数字信号处理器内核，它与ADSP-2100数字信号处理系列的代码完全兼容；②单周期指令执行时间为38.5ns（外接13MHz晶振）；③内置了2K 3 全数字化火炮驱动直流电源的系统结构 该系统由主电路和控制电路等部分组成，其框图如图1所示。 3.1 主电路 图2所示为全数字化火炮驱动直流电源的主电路图。主电路采用功率MOSFET管构成的交错并联双管正激拓扑结构，M1，M2，D1，D2与副边拓扑构成1＃双管正激变换器，M3，M4，D3，D4与副边拓扑构成2＃双管正激变换器。工作时，2＃变换器的控制脉冲相对于1＃变换器移相了1800，双路变换器交替工作，向副边传输能量，通过二极管D1，D2或D3，D4向原边输入电源回馈能量，实现铁芯磁复位。交错并联双管正激变换器与单管正激变换器相比，电压应力小，功率管只承受电源电压，不需要另加磁复位电路；与全桥或半桥变换器相比，它不存在桥臂直通的危险；此外，交错并联结构使变换器热分布均匀，提高了可靠性。
图1 全数字化火炮驱动直流电源的系统结构框图
图2 交错并联双管正激变换主电路 3.2 DSP控制系统 DSP是控制电路的核心，控制系统由ADMC331、E2PROM及外围电路等构成最小DSP系统，完成控制、计算、保护等功能，可实现火炮驱动直流电源真正意义上的全数字化控制。ADMC331提供PWM控制信号，经隔离驱动后驱动功率MOSFET管工作。为了保证功率模块正常安全运行,采用一片GAL芯片对运行中系统电流、电压、异常故障等进行检测并作出反应，通过硬件方式直接封锁驱动信号的输出，提高了系统对故障响应的快速性和可靠性，同时保护信号也通过数字PIO口送入ADMC331，进行软件查询、处理和报警显示。另外，ADMC331外接一个存有程序执行指令的机器码的E2PROM，上电后通过串行口程序自行导入，并且采用MAX232芯片作为TTL与RS232的电平转换，以实现ADMC331与外界的通讯。 3.3 驱动电路 驱动电路的好坏直接影响系统工作的可靠性和电气性能，对于功率MOSFET管采用如图3所示的驱动电路，变压器隔离，电路设计大为简化，抗干扰能力强，具有快速、高性能的特点。
图3 功率MOSFET驱动电路 3.4 模数（A/D）转换接口电路 图5 输出电流检测接口电路 4 仿真与试验 采用PSPICE软件对主电路进行仿真，电路仿真和实验参数为输入电压Ｖin = 12Ｖ ，输出电压Vo = 100V，功率MOSFET管为IRFP064N (每个IRFP064N的源、漏间导通电阻仅为0.008Ω) ,输出电感Ｌ=50μＨ ,输出电容Ｃ =4.7μＦ ,开关频率 ｆ =50ｋＨｚ,工作占空比Ｄ =0 .4,高频变压器初、次级匝比ｎ =1∶10,输出电流Ｉｏ=2Ａ。
图6 全数字化火炮驱动电源的主要仿真波形 图6（a）、图6（b）分别是电源输出电压和输出电流的波形，仿真结果满足系统的需要，并反映了电源的启动过程。从图6（C）可以看出，输入电流在功率MOSFET管导通瞬间，出现电流尖峰，这是由于续流二极管D7存在反向恢复，造成导通瞬间在D5，D7以及TX1副边（D6，D7以及TX2副边）形成环流，折算至原边电流较大，从而导致损耗增加并可能损坏电路中的半导体器件，因此D7宜采用恢复时间短而柔度系数大的快速恢复二极管。 另外，通过设计的样机进行了现场测试，全数字化火炮驱动电源运行良好、可靠，达到了设计要求，试验效果令人满意。 5 结 论 随着现代战争不断地信息化、数字化，实现武器装备驱动电源的全数字化已是当务之急。采用高性能嵌入式DSP电机控制器ADMC331设计的火炮驱动直流电源，可以实现高效、可靠及真正意义上的全数字化控制，它不仅仅提高了控制电路的集成度，更重要的是提高了控制电路乃至整个系统的可靠性和可塑性。 参考文献： [1] Analog Deives. ADMC331 DSP motor controller reference’s manual[Z]. US: ADC,1998. [2] 秦海鸿等.500W双路交错并联双管正激变换器的研制.电源世界,2002.3 [3] 张劲松等.基于DSP的全数字化单相在线式UPS的设计.电力电子技术,2001,35(3). [4] C.H.G.Treviso, A.A.Pereira, V.J.Farias, J.B.Vierira and L.c de Freitas, A 1.5kW Operation with 90％ Efficiency of a Two－ Transistor Forward Converter with Nondisspative Snubber, PESC’ 99, PP696－ 700 作者简介： 徐国富 1972年11月，男，硕士，研究方向为电力电子技术和电源技术。 |
24位程序存储器ROM，2K 
24位程序存储器RAM和1K 
16位数据存储器RAM；④具有一个三相16位基于中点的脉宽调制（PWM）发生器，能够灵活编程产生具有处理器开销最小的高精度PWM信号；⑤有2路8位辅助脉宽调制（AUXPWM）通道，频率可编程；⑥有七路Σ-▽型A／D变换通道，最高分辨率为12位，最大采样频率可达32.5KHz；⑦具有24个可编程数字输入输出（PIO）口，可单独设置成输入或输出，支持状态变化中断；⑧提供了2个双缓冲同步串行口（SPORT0，SPORT1），用以完成串行通讯和多处理器间的通信；⑨带有实时中断的16位看门狗定时器；⑩内部程序存储器ROM固化了一些实用程序，方便系统的程序设计，减少了数字控制系统的程序计算时间。可见ADMC331具有实现全数字化火炮驱动电源所需的所有结构特点。
A/D转换器是ADMC331内含的模块，由7个模拟输入通道和比较器等电路组成，数据转换是通过判断模拟输入量与片内高稳定度锯齿波的交点进行的。考虑到A/D转换器能接受的电平范围0～+5V，必须将电压互感器检测的电压和电流传感器检测的电流（转换为电压量）成比例的转换到这个范围内。输出电压和电流检测接口电路分别如图4和图5所示，这部分电路输入阻抗应比较大，以尽量减少对设备信号的影响，输出阻抗应同A/D转换器的输入阻抗相匹配。
图4 输出电压检测接口电路 
