多通道智能配電裝置及其運行方法與流程

本發明涉及智能配電技術領域，具體涉及一種多通道智能配電裝置及其運行方法。

背景技術：

電源是現代化武器裝備運行的基礎，而電源的分配與管理則是武器裝備供配電系統中非常關鍵的一個環節。在國外，上世紀八十年代中期就提出了飛機不間斷供電的理念，并由此推動了智能配電技術的發展。實現武器裝備的不間斷供電，需要系統中的配電裝置具有工作狀態自檢測、用電設備工作狀態監測及故障隔離，對電源干擾具有容錯等能力。由于武器系統用電設備數量多，因此對配電裝置的故障并行處理能力的要求高。目前，國內配電裝置通常采用單處理器輪詢控制及多處理器獨立控制兩種智能控制方式來對多個用電設備進行狀態監測及智能控制；但前者不具備并行處理能力，在兩個以上用電設備同時出現短路等極端條件下不具備隔離多個故障的能力；而后者具備并行處理能力，但存在系統硬件組成復雜、可靠性低等顯著缺點。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是單微處理器進行多通道配電管理方式不具備并行處理能力，而多微處理器存在系統硬件組成復雜和可靠性低等問題，提供一種多通道智能配電裝置及其運行方法。

為解決上述問題，本發明是通過以下技術方案實現的：

一種多通道智能配電裝置，包括裝置本體，所述裝置本體由電源模塊、電壓采集電路、FPGA電路、隔離通信接口電路和多個功率控制模塊組成；電源模塊電路的輸入端與外部電源連接，輸出端與裝置本體內部其他電路的電源輸入端連接；電壓采集電路的輸入端與外部電源連接，輸出端與FPGA電路的數據輸入端連接；隔離通信接口電路的一端與外部總線相連，另一端與FPGA電路的通信接口相連；每個功率控制模塊的電源輸入端與外部電源正極連接，控制端與FPGA電路的一控制輸出端連接，狀態反饋端與FPGA電路的一數據采集口連接，供電輸出端與一外部負載設備相連。

上述方案中，電源模塊由濾波器、第一DC/DC模塊、第二DC/DC模塊、二極管D1、二極管D2和多路LDO組成；濾波器輸入端形成電源模塊的輸入端；濾波器的輸出端連接第一DC/DC模塊和第二DC/DC模塊的輸入端；第一DC/DC模塊的輸出端正極與二極管D1的正極相連，第二DC/DC模塊的輸出端正極與二極管D2的正極相連；第一DC/DC模塊的輸出端負極與第二DC/DC模塊的輸出端負極相連后，連接多路LDO的負端；二極管D1的負極和二極管D2的負極相連后，連接多路LDO的輸入端；多路LDO的端出端形成電源模塊的輸出端。

上述方案中，功率控制模塊由驅動電路、開關電路、電流傳感器、調理電路和A/D采樣電路組成；驅動電路的輸入端形成功率控制模塊的控制端，驅動電路的輸出端與開關電路的控制端連接；開關電路的輸入端形成功率控制模塊的電源輸入端；開關電路的輸出端形成功率控制模塊的供電輸出端；電流傳感器隔離感應供電輸出端電流，電流傳感器的輸出端連接調理電路的輸入端，調理電路的輸出端連接A/D采樣電路的輸入端，A/D采樣電路的輸出端形成功率控制模塊的狀態反饋端。

上述方案中，隔離通信接口為CAN總線收發電路、RS422總線收發電路或RS485總線收發電路。

上述多通道智能配電裝置的運行方法，包括如下步驟：

外部電源通過電源線引入電源模塊，電源模塊將其處理后提供給裝置本體內部電路；

電壓采集電路隔離采集輸入電源的電壓信號，并將電壓信號轉為數字信號給FPGA電路進行分析處理；

隔離通信接口電路完成總線信號的隔離轉換，完成外部總線和FPGA電路信息的交互；

功率控制模塊完成供電通斷的切換，并將輸出的電流信號隔離采集為數字電流信號供FPGA電路進行分析處理；

FPGA電路對多通道供電的電流信號與電源電壓信號進行并行采集和處理，完成通信管理和信息處理，多通道通斷控制功能，以及多通道的過欠壓保護和過流保護功能。

上述方法中，電源模塊對外部電源進行處理的過程為：外部電源經過濾波器濾波后送入2個并聯的DC/DC模塊，2個并聯的DC/DC模塊對其進行隔離轉換后送入防反二極管進行匯流，并經多路LDO變壓后提供給裝置本體內部電路。

上述方法中，功率控制模塊實現供電通斷的切換的過程為：驅動電路完成FPGA電路發出的控制信號的放大，并驅動開關電路通或斷；功率控制模塊對輸出的電流信號隔離采集的過程為。電流傳感器測量供電輸出端的電流大小，經調理后給A/D采樣電路進行采樣，經采樣后給FPGA電路進行處理。

上述方法中，FPGA電路的正常通斷控制過程為：接收上級控制器的控制命令直接控制通路供電的通斷。FPGA電路的過欠壓保護過程為：電壓采集電路檢測外部電源的輸入電壓，當檢測到輸入電壓大于預設的電壓最大值時或小于預設的電壓最小值時，FPGA電路控制各功率控制模塊斷開，從而起到過壓及欠壓保護的功能。FPGA電路的過流保護過程為：FPGA電路實時監測每個功率控制模塊的電流信號，并實時進行保護算法的運算，當某通道或多個通道供電發生過流并滿足所在通道的保護算法過流保護條件時，FPGA電路輸出斷開相應供電通道的控制信號，使相應通道的功率控制模塊斷開，從而起到過流保護的功能。

與現有技術相比，本發明利用FPGA具有的并行處理特點，能同時對多通道的供配電進行監測和保護，各通道可定制不同的反時限保護曲線，使得保護更加精準。在對過流保護點的處理時間上，僅存在微秒級硬件延時，具有與專用集成電路類似的特性，同時還具有成本低的優勢。基于FPGA的多通道智能配電技術用于型號配電管理，使得系統具有硬件電路復雜度低、可靠性高、并行處理能力強、對硬件的兼容性好、通用程度高及可擴展性強等優點。

附圖說明

圖1為一種多通道智能配電裝置的原理圖。

圖2為電源模塊的原理框圖。

圖3為功率控制模塊的原理框圖。

具體實施方式

一種多通道智能配電裝置，如圖1所示，主要由電源模塊、電壓采集電路、FPGA電路、隔離通信接口電路和多個功率控制模塊組成。

電源模塊電路輸入端與外部電源相連；電源模塊輸出端與內部其他電路的電源輸入端相連，為內部電路提供電源。在本發明優選實施例中，電源模塊，由圖2所示，由濾波器、第一DC/DC模塊、第二DC/DC模塊、二極管D1、二極管D2、多路LDO(低壓差線性穩壓器)組成。濾波器輸入端與外部電源輸入端相連；濾波器的輸出端作為第一DC/DC模塊和第二DC/DC模塊的輸入端；第一DC/DC模塊輸出端正極與二極管D1正極相連；第二DC/DC模塊輸出端正極與二極管D2正極相連；第一DC/DC模塊輸出端負極與第二DC/DC模塊負極相連并作為多路LDO負端；二極管D1負極和二極管D2負極相連并作為多路LDO的輸入端；多路LDO端出端為內部電路供電。

電壓采集電路輸入端與外部電源相連，輸出端與FPGA電路數據輸入端相連，采集外部輸入電源的電壓給FPGA電路處理。

每個功率控制模塊的電源輸入端與外部電源正極連接，控制端與FPGA電路的一控制輸出端連接，狀態反饋端與FPGA電路的一數據采集口連接，供電輸出端與一外部負載設備相連。在本發明優選實施例中，功率控制模塊，如圖3所示，由驅動電路、開關電路、電流傳感器、調理電路、A/D采樣電路組成。FPGA電路的控制輸出端作為驅動電路的控制輸入端，驅動電路的輸出端作為開關電路的控制端；開關電路的輸入端與電源輸入+端相連；開關電路的輸出端與供電輸出相連；電流傳感器隔離感應供電輸出端電流；電流傳感器輸出端作為調理電路輸入端；調理電路輸出端作為A/D采樣電路的輸入端；A/D采樣電路的輸出端與FPGA電路數據采集口相連。通過采用不同功率和/或不同種類的開關電路，實現小功率、中功率到大功率的配電應用。

隔離通信接口電路與FPGA電路的通信接口相連，實現外部總線與FPGA電路信號的隔離通信。在本發明中，隔離通信接口可以為CAN總線收發電路、RS422總線收發電路或RS485總線收發電路。

FPGA電路通過隔離總線接口電路接收上位機命令，控制相應通路的功率控制模塊的通斷，實時監測輸入電源的電壓，當滿足過壓欠壓條件時進行關斷；實時監測各個通道的電流信號，當某通斷當某通道或多個通道供電發生過流并滿足所在通道的保護算法過流保護條件時，FPGA輸出斷開相應供電通道的控制信號，使相應通道的功率控制模塊斷開，從而實現了智能配電保護，有效的保護了負載。FPGA作為控制核心，對多通道供電的電流信號與電源電壓信號進行并行采集和處理，提高了多通道供電實時保護。用單個集成電路電路芯片實現了并行采集和處理，電路簡單，降低了成本，提高了可靠性，具有工作可靠性高、體積小重量輕等特點，可實現各配電系統的新型智能配電。

上述多通道智能配電裝置的運行方法，包括如下步驟：

外部電源通過電源線引入電源模塊，經過濾波器濾波，并經過并聯的第一DC/DC模塊和第二DC/DC模塊隔離轉換后，經防反二極管進行匯流，并經LDO線性電源線性變壓為內部電路提供電源。

電壓采集電路隔離采集輸入電源的電壓信號，并將電壓信號轉為數字信號給FPGA電路進行分析處理。

隔離通信接口電路完成總線信號的隔離轉換，完成外部總線和FPGA電路信息的交互。

功率控制模塊完成供電通斷的切換，并將輸出的電流信號隔離采集為數字電流信號供FPGA電路進行分析處理。驅動電路完成控制信號的放大，驅動開關電路通或斷，電流傳感器測量供電輸出端的電流大小，經調理后給A/D采樣電路進行采樣，經采樣后給FPGA電路進行處理。

FPGA電路完成通信管理、信息處理，通斷控制功能和過壓欠壓保護，過流保護功能。FPGA電路的正常通斷控制方式為：接收上級控制器的控制命令直接控制通路供電的通斷。FPGA電路的過壓、欠壓控制方式為：電壓采集電路檢測電源輸入端電壓，當檢測到供電輸入電壓大于預設的最大值時，FPGA控制功率切換電路斷開，當檢測到供電輸入電壓小于預設的電壓最小值時，FPGA控制功率電路斷開，從而起到過壓欠壓保護的功能。FPGA電路的過流保護功能為：FPGA實時監測每個功率控制模塊的電流信號，并實時進行保護算法的運算，當某通道或多個通道供電發生過流并滿足所在通道的保護算法過流保護條件時，FPGA輸出斷開相應供電通道的控制信號，使相應通道的功率控制模塊斷開，從而起到過流保護的功能。

本發明實現了配電系統多通道配電的實時監測與并行保護。提高了多通道智能配電系統智能保護的實時性和精確性。由于采用FPGA可編輯邏輯器件，可根據實際負載選擇相應的保護曲線，配置相應的保護算法進行更新即可，提供了多通道智能配電的靈活性，具有良好的多負載系統匹配適應性能。