基于RISC-Ⅴ的多电源均衡系统_王鑫慧.pdf

The Multi-power Supply Equalization System Based on RISC-VWANG Xinhui1，ZHAO Gang1*，WANG Like1，GONG Xiaoyang1，ZHANG Bin2（1.North Automatic Control Technology Institute，Taiyuan 030006，China；2.The Second Military Delegation Office Located in Taiyuan of Beijing Military Delegation Bureau，Taiyuan 030006，China）Abstract：The Fire control computers require the power distribution unit to supply accurate，stableand reliable power supply，with the continuous development of the informatization of weapon equipment.Through the research and localization realization of the load balancing algorithm of the power supplymodule，a multi-power supply equalization system based on RISC-V is designed.1+N distributedmaster and slave multi-power modules are used for power supply redundantly，with the independentand controllable RISC-V chip GD32VF103RBT6 as the core，the traditional PID correction controlstrategy is optimized to make the output voltage stable and to realize current sharing，and to realizemulti-module communication by CAN bus serial communication，and to solve the current backflowproblem caused by hot-plugging in practical applications.Through simulation and physical construc-tion，it is verified that the system meets the accurate，stable and reliable requirements for output voltageof the power supply unit.The multi-power supply equalization system greatly improves the stability andreliability of the weapon system.Key words：power supply equalization；RISC-V；PID control；parallel current sharingCitation format：WANG X H，ZHAO G，WANG L K，et al.The multi-power supply equalizationsystem based on RISC-V J.Fire Control&Command Control，2023，48（5）：177-183.收稿日期：2022-09-15修回日期：2022-10-28作者简介：王鑫慧（1996），女，山西晋中人，硕士研究生。研究方向：系统工程。通信作者：赵刚（1974），男，山西阳泉人，研究员。研究方向：武器控制系统。摘要：随着武器装备信息化不断发展，火控计算机要求配电单元供电准确、稳定、可靠，通过对电源模块负载均衡算法的研究和国产化实现，设计了一种基于 RISC-V 的多电源均衡系统。采用“1+N”分布式主、从多电源模块进行冗余供电，以自主可控的 RISC-V 芯片 GD32VF103RBT6 为核心，优化传统 PID 修正控制策略，使得输出电压稳定并实现均流，通过 CAN 总线串行通信实现多模块通信，并解决实际应用中热插拔带来的电流倒灌问题。通过仿真模拟和实物搭建，验证了该系统满足供电单元输出电压准确、稳定、可靠的要求，极大地提高了武器系统的稳定性和可靠性。关键词：电源均衡；RISC-V；PID 控制；并联均流中图分类号：TP303+.3；TJ0文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1002-0640.2023.05.026引用格式：王鑫慧，赵刚，王立珂，等.基于 RISC-V 的多电源均衡系统 J.火力与指挥控制，2023，48（5）：177-183.基于 RISC-V 的多电源均衡系统王鑫慧1，赵刚1*，王立珂1，弓晓阳1，张宾2（1.北方自动控制技术研究所，太原030006；2.陆军装备部驻北京地区军事代表局驻太原地区第二军事代表室，太原030006）0引言在嵌入式武器装备系统中，随着设备功能的增强，功耗急剧增大，对电源提出了更高的要求，多电源并联运行成为电源设计中需要考虑的问题，不仅可以解决单个电源变换模块供电功率不足的问题，文章编号：1002-0640（2023）05-0177-07火 力 与 指 挥 控 制Fire Control&Command Control第 48 卷第 5 期2023 年 5 月Vol.48，No.5May，2023*177（总第 48-）火 力 与 指 挥 控 制2023 年第 5 期还可以实现电源冗余备份、均流功能，以达到分散电流热应力的效果，当其中一个电源模块出现故障或失效时，其余电源模块可以继续运行，维持系统功率需求，提高整个电源系统的可靠性。RISC-V 是一种新型的指令集架构，不同于传统的 X86、ARM 架构，具有开源、架构简单、可定制模块化的特点。作为软硬件交互的规范，既满足了软硬件协同设计又具备面向系统需求精准定制的能力，迎合了现代系统体系架构和设计需求，具有较高的理论价值和实践意义。本文基于 RISC-V 指令集架构和 PID 控制算法设计了一种多电源负载均衡的方法，根据 PID 控制原理，监测被控对象的实时输出信息，通过控制策略调整输出信息，使系统输出处于期望值范围内，通过主、从电源循环控制，实现均流。主、从电源模块均采用 RISC-V 架构 MCU GD32VF103RBT6 作为控制核心，完成信息传输和均衡控制功能。与传统的电源模块相比，本次设计不仅结合自主可控的开源指令集架构 RISC-V 实现均流控制，使用 Matlab完成对系统建模完成仿真模拟，而且设计防倒灌电路提高系统可靠性，完成实物搭建，从而验证所设计的多电源负载均衡具有良好的性能。1系统设计随着火控计算机更新换代，计算机功能、集成度、功耗不断的增加，单个电源模块承载火控计算机高负载工作已经受限，多模块并联使得功率器件受电、热应力明显减少，系统散热也得到最大化改进。然而，直接将多个电源模块并联接入系统并不可行，当多个电源模块输出电压不一致时，输出电压低的模块会被输出电压高的模块视为负载，从而发生倒灌，同时输出电压高的模块发生过载，过载严重时会有模块失效的风险，导致整个系统失效1。因此，多个电源模块并联运行时需要引入负载均衡控制方法，以确保电源模块之间电流应力和热应力均匀分布，避免出现单个电源模块工作状态达到极限的状态，触发保护机制，影响电源系统的正常运行。1.1系统总体设计框图本次设计采用“1+N”分布式主、从多电源模块进行冗余供电，分别通过电压和电流两个控制环实现负载均流。主、从电源模块之间通过 CAN 通信进行协同工作。主电源模块负责调整输出电压，保证电压的准确、稳定。从电源模块控制输出电流，能够根据总的负载快速调整从电源模块负载，调节主、从电源模块负载均衡。当任何一个电源模块发生故障时，另一个电源模块能够快速切换成主电源模块，并能够瞬时承担全部负载，维持输出电压恒定，保证设备不停机工作。主从模块采用相同的电路布局，根据启动瞬间的带载情况，随机确定主、从身份，分别通过 PID 修正输出稳定电压和实现均流。最后经过 XC4355 防倒灌电路将电压输出到负载，完成整个电源系统设计。系统总体设计框图如图 1 所示。1.2并联均流和多电源冗余供电技术多电源模块并联运行的核心是均流技术，硬件电路搭建的均流方法存在差异性大、稳定性差等问题，本次设计选用 RISC-V 硬核软编程实现均流功能，形成电压、电流调整闭环反馈控制的机制，具备系统供电准确、稳定、可靠的特点2。RISC-V 处理图 1多电源均衡系统设计总体框图Fig.1Overall block diagram of a multi-power supply equalization system design1780940（总第 48-）器采用北京兆易创新（Gigadevice）和芯来科技（Nu-clei System Technology）联合开发的 GD32VF103 系列 MCU，采用 32 位通用微控制器，配备 Bumblebee内核，支持小端 RV32IMAC，提供了 108 MHz 的运算主频，以及 16 KB 到 128 KB 的片上闪存和 8 KB到 32 KB 的 SRAM 缓存。配备 3 个 USART、2 个UART、3 个 SPI、2 个 I2C、2 个 I2S、2 个 CAN2.0B 和1 个 USB 2.0 FS OTG，以及外部总线扩展控制器，还集成了两个高采样率 ADC。单个电源模块以双 GD32VF103RBT6 MCU 为核心搭建电路实现均流，分为核心 MCU 和辅助MCU，核心 MCU 与辅助 MCU 配合点亮电源模块工作灯。核心 MCU 主要完成主、从身份识别、输入输出电源监控、PID 电源控制策略等工作，还通过UART 接口与辅助 MCU 进行信息交互，通过 CAN总线与上位机、其他电源进行信息交互。辅助 MCU主要负责输入电源监控，开关信号监控、工作状态指示、与核心 MCU 进行信息交互等工作。各个电源模块通过启动时的带载情况，自主协商确定主从关系。各模块通过模式识别电阻判断两个 MCU 身份，若为低电平则为辅助 MCU，负责监控输入电压、电流、温度以及开关信号等信息并进行逻辑判断，当开关打开时每隔 5 ms 将电压、电流、温度等信息通过隔离串口送入核心 MCU。若为高电平则为核心 MCU，核心 MCU 有两路 CAN，CAN1 与上位机相连，将辅助 MCU 发送的电压、电流等 BIT 信息，通过 CAN 总线发送给上位机。CAN2 为各个电源模块内部 CAN 总线。主电源模块的核心 MCU 采集远端的输出电压，与设定的 12 V 期望值求差，通过 PID 修正算法实时修正得到 DA，经运算放大器 SGM8250，将电压值返回电源模块 trim 端进行调压，使得输出端电压满足 12 V5%。从电源模块的核心 MCU 采集电流传感器的电压值，运算求出对应采集电流并与主模块电流值比较，差值通过 PID 修正算法实时修正得到 DA，经运算放大器 SGM8250，将电压值返回电源模块 trim 端进行调压，形成电流控制环路实现均流。GD32VF103RBT6 控制策略流程图如图 2 所示。王鑫慧等：基于 RISC-V 的多电源均衡系统图 2GD32VF103RBT6 控制策略流程图Fig.2Flow chart of control strategy o