自备电源用嵌入式电源控制器的分析与设计

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自备电源是许多未接入电网的用电设备的主要电能来源,通常由多个子系统构成,而电源控制器即为自备电源的控制中枢,负责控制和协调管理自备电源的稳定可靠运行。目前,电源控制器主要采用在嵌入式处理器上裸机运行的方式,并控制自备电源较为独立地工作。但许多特殊装备的出现与发展对于自备电源有了更多的要求,如本论文所研究的强脉冲功率爆发式输出的自备电源,不仅要求控制器能够协调控制全电源系统中的所有设备灵活、可靠地配合工作,还要求电源控制器具有更高的信息化水平和更加快速的响应性能,特别是脉冲功率输出的时间尺度既有百微秒级的放电控制过程,也有毫秒级的充电控制过程,电源还存在重频脉冲输出,这就使得全系统对电源控制器的时序控制精确度有极高的要求。
  为了适应此种需求,本论文提出了基于ARM和μC/OS-III操作系统内核的电源控制器技术思路和设计方案,并针对自备电源的组成结构和工作原理构建了灵活可靠的通信与控制网络。在应用层面上,电源控制器具有通信、调度、电容器组充电控制、放电控制、人机交互和系统状态管理与运行保护等功能。通信功能由1553B、CAN、I/O和串口四种通信方式共同构成,并对每种通信方式的通信策略优化设计以保障其可靠性与便捷性,包括但不限于1553B的FPGA辅助通信机制、CAN通信的相位锁定机制和I/O的软件滤波机制等。电容器组充电控制功能以电压的采样与处理为核心,针对传统滑动平均滤波算法的延迟问题,创新性地引入了预测补偿机制,在保持了低算法复杂度的同时较好地补偿了低频段的相位。此外,对于参数整定、励磁控制和屏幕显示等其他基础功能也进行了详细的研究,并给出了具体算法或实现方法。
  基于上述工作,进一步搭建了逻辑清晰、层次鲜明且低耦合的嵌入式系统架构,之后对系统任务进行划分,并设计出任务间的逻辑组织结构。同时,对各任务的执行逻辑进行分析并给出实现方案,通过各任务的协同工作,实现了电源控制器的可靠运行。
  最后,对电源控制器的软件程序进行了实际测试。实验结果显示电源控制器各功能正常运行,且指令响应延迟在30us左右,时序控制误差在1.26us左右,CPU的占用率在7.3%至12.6%之间。这说明了电源控制器响应速度快、控制精度高、程序状态健康,能够满足自备电源的项目需求。
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