基于DSP 的智能電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 林，李志勇

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)信息與控制工程學(xué)院，山東 青島266555;2.鄭州華力電纜有限公司，河南 鄭州450041)

0 引 言

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)電源的質(zhì)量和可靠性要求越來(lái)越高，在很多關(guān)鍵的應(yīng)用場(chǎng)合，比如說(shuō)地鐵站、醫(yī)院等電源供應(yīng)不能有絲毫的差錯(cuò)，否則會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的、甚至是災(zāi)難性的后果。所以在很多關(guān)鍵的地方，都設(shè)有備用電源或雙路電源并聯(lián)供電［1-2］，如UPS(不間斷電源系統(tǒng))。雙路電源并聯(lián)供電的優(yōu)點(diǎn)主要有兩個(gè):①擴(kuò)充容量，實(shí)現(xiàn)大功率電源系統(tǒng)，②通過冗余實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)功能，即當(dāng)某電源模塊失效時(shí)，系統(tǒng)還可以提供負(fù)載功率，實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)的不間斷供電。

但是，傳統(tǒng)的雙路電源并聯(lián)供電方式有其自身的局限性，比如:①靈活性差，在雙路電源都在線工作時(shí)不能實(shí)現(xiàn)工作電流的獨(dú)立控制;②不能有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能，例如在野外，太陽(yáng)能和風(fēng)能資源非常豐富，我們完全可以以這種綠色能源為主，其他供電方式為輔，為一些在野外工作的關(guān)鍵設(shè)備供電。但是有時(shí)太陽(yáng)能和風(fēng)能產(chǎn)生的電力不足以維持設(shè)備的正常運(yùn)行，如果用電池儲(chǔ)存，電池容量有限，完全舍棄不用，直接采用備用電源又有些可惜。基于此設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新型供電系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)并聯(lián)電源的電流可按照默認(rèn)分流比例分流或控制分配比例分流兩種模式工作［3］。這樣就避免了上述存在的問題，下面以一雙通道直流電源為例介紹其實(shí)現(xiàn)原理和方法。

1 方案設(shè)計(jì)與論證

設(shè)計(jì)一個(gè)安全可靠、低成本、輸出功率為200 W的12 V 直流并聯(lián)供電系統(tǒng)應(yīng)用于野外現(xiàn)場(chǎng)。系統(tǒng)能滿足當(dāng)負(fù)載改變時(shí)，輸出電壓基本不變。并聯(lián)供電系統(tǒng)輸出電流可按照一定比例自動(dòng)分配電流，每個(gè)模塊的輸出電流的相對(duì)誤差絕對(duì)值不大于5%。具體要求如下:①負(fù)載改變時(shí)，保持輸出電壓不變，使負(fù)載電流Iout在10 ～20 A 之間變化時(shí)，兩個(gè)模塊的輸出電流可在5 ～15 A 范圍內(nèi)按指定的比例自動(dòng)分配，每個(gè)模塊的輸出電流相對(duì)誤差的絕對(duì)值不大于2%。②額定輸出功率工作狀態(tài)下，進(jìn)一步提高供電系統(tǒng)效率。③具有負(fù)載短路保護(hù)及自動(dòng)恢復(fù)功能，保護(hù)閾值電流為20 A(±0.2 A 的偏差)，系統(tǒng)總體組成框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總框圖

1.1 核心處理器方案選擇［4-7］

DSP 具有運(yùn)算速度快、支持浮點(diǎn)運(yùn)算、測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。DSP 器件采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的程序和數(shù)據(jù)空間，可以同時(shí)存取程序和數(shù)據(jù)。內(nèi)置高速的硬件乘法器，增強(qiáng)的多級(jí)流水線，使DSP 器件具有高速的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力。DSP(TM320LF2407A)自帶的幾路12 位A/D 轉(zhuǎn)換能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)要求的精度，DSP 器件還提供了高度專業(yè)化的指令集，提高了FFT 快速傅里葉變換和濾波器的運(yùn)算速度。另外該DSP 器件還具有高速、同步串口和標(biāo)準(zhǔn)異步串口。基于以上原因我們采用以 DSP(TM320LF2407A)為核心的控制器。

1.2 主電路DC-DC 變換器選擇

采用BUCK 變換電路，此電路體積小，電路相對(duì)于單端反激變換電路更加簡(jiǎn)單，效率相對(duì)于單端反激變換電路會(huì)更高，少了很多可以增加損耗的地方而且不用繞制變壓器，減少了損耗與變壓器噪聲等問題，故選擇此方案。

1.3 開關(guān)管的選擇

選擇場(chǎng)效應(yīng)管IR2125 作為開關(guān)管，此管子導(dǎo)通壓降低且導(dǎo)通電阻僅有幾十毫歐，損耗相對(duì)于IGBT 作為開關(guān)管的方案要小很多，因此我們選擇此方案。

1.4 控制策略選擇［8-9］

本設(shè)計(jì)采用電壓、電流雙閉環(huán)PI 調(diào)節(jié)的方式控制輸出電壓，并使其開關(guān)電源并聯(lián)供電能夠按照預(yù)設(shè)比例進(jìn)行分流。我們用小電阻采集兩個(gè)開關(guān)電源各自的電流信號(hào)和總體的輸出電壓信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)的調(diào)理傳送給DSP，采用PI 調(diào)節(jié)電流控制的方式進(jìn)行分流調(diào)控，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓分配輸出電流的效果。

2 理論分析與電路實(shí)現(xiàn)［10-11］

2.1 理論分析與計(jì)算

系統(tǒng)需要檢測(cè)的電壓是BUCK 變換器輸出的12.0±0.4 V 電壓，BUCK 變換器電路原理圖如圖2 所示。

圖2 BUCK 變換器電路原理圖

根據(jù)圖2 所示的BUCK 電路，可得到如下公式:

電流內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì)如圖3 所示。其中，相關(guān)參數(shù)如下:

圖3 電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)

令τid=2.63 ×10－3，消除大慣性環(huán)節(jié)，可得到電流環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù):

電壓外環(huán)設(shè)計(jì)

結(jié)合圖3，可以得到電壓電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)框圖，如圖4 所示。

圖4 電壓電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)框圖

取電壓環(huán)時(shí)間常數(shù)為2 ×75 =150 μs，采樣處理100 μs，TΣi=250 μs，則電壓環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為:

將此系統(tǒng)設(shè)計(jì)為典型的Ⅱ型系統(tǒng)，取h=5，有:

則PI 調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)Kpv和積分系數(shù)KIv為

2.2 電壓電流采集、調(diào)理電路［11-15］

為減小共模輸入信號(hào)，可采用差動(dòng)輸入式電壓放大電路和高共模抑制比的運(yùn)放LM358，將輸出電壓按比例減小，減小為2 V 左右的信號(hào)經(jīng)RC 低通濾波后送入DSP 的A/D。

系統(tǒng)需要檢測(cè)的電流是并聯(lián)BUCK 變換器各自的輸出電流，將電流檢測(cè)轉(zhuǎn)換為電壓檢測(cè)，為減小采樣電阻損耗，阻值取為0.1 Ω 左右，故需放大電壓小信號(hào)，為減小共模輸入信號(hào)，采用兩級(jí)放大，前級(jí)采用差動(dòng)輸入式電壓放大電路，這里選擇放大倍數(shù)為10 倍，放大后的信號(hào)經(jīng)RC 低通濾波后送入DSP A/D。

信號(hào)調(diào)理模塊主要是由增益可調(diào)的AD603 實(shí)現(xiàn)的，其放大倍數(shù)可以通過DSP 調(diào)節(jié)，由DSP 來(lái)判斷當(dāng)前信號(hào)幅度的大小，經(jīng)過一定的運(yùn)算處理后給出一一對(duì)應(yīng)的數(shù)字量控制信號(hào)，然后經(jīng)過DA 轉(zhuǎn)換輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)的模擬量來(lái)控制放大電路的增益，可讓輸出電壓連續(xù)變化。AD603 通過軟件控制輸出，使之輸出電壓連續(xù)變化通過調(diào)節(jié)反饋電位器可實(shí)現(xiàn)輸出幅度≥5 V，信號(hào)調(diào)理電路如圖5 所示。

圖5 信號(hào)調(diào)理電路

2.3 DC/DC 變換器穩(wěn)壓方法和均流方法

采集的電壓和電流信號(hào)送入DSP，經(jīng)PI 算法，產(chǎn)生PWM 波，控制驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生脈寬可變的驅(qū)動(dòng)脈沖，改變開關(guān)管開關(guān)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)電壓電流雙閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)，保持輸出電壓穩(wěn)定，使輸出電流按比例分配。

2.4 過流保護(hù)

電壓電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)中，將檢測(cè)到的電流信號(hào)與過流保護(hù)預(yù)設(shè)信號(hào)比較，若出現(xiàn)過流，則封鎖PWM 輸出脈沖，驅(qū)動(dòng)脈沖消失，開關(guān)管關(guān)閉，由軟件實(shí)現(xiàn)。

3 程序設(shè)計(jì)［9］

主程序流程圖如圖6 所示。

圖6 軟件設(shè)計(jì)流程

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 硬件測(cè)試

將開關(guān)管驅(qū)動(dòng)與BUCK 變換器的開關(guān)管相連，給IR2125 輸入端加上PWM 波，測(cè)試系統(tǒng)開環(huán)運(yùn)行情況，測(cè)量BUCK 電路在輸入36 V 下的輸出電壓大小，改變負(fù)載測(cè)量電壓波動(dòng)，對(duì)信號(hào)調(diào)理電路可單獨(dú)測(cè)試，電流檢測(cè)電路輸入幾十mV 小信號(hào)，測(cè)量輸出信號(hào)和紋波大小，測(cè)試其是否滿足要求以及進(jìn)一步改進(jìn)。

4.2 硬件軟件聯(lián)調(diào)

將信號(hào)檢測(cè)模塊與DSP 系統(tǒng)相連，DSP PWM 輸出端與IR2125 的控制脈沖輸入端相連，測(cè)試系統(tǒng)在電壓和電流雙閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)下的運(yùn)行情況及測(cè)量輸出電壓波動(dòng)大小和電流的自動(dòng)分配。

下面以設(shè)定分流比例，以36 V DC 輸入，輸出電壓保持在(12.0 ±0.4)V 以內(nèi)，輸出電流之和在5 ～20 A內(nèi)變化進(jìn)行系統(tǒng)檢驗(yàn)，I1，I2 分別為兩路輸出的電流信號(hào)，測(cè)量結(jié)果見表1。

表1 A

5 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)采用DSP(TMS320F28335)作為控制和計(jì)算中心，處理來(lái)自電阻采樣而來(lái)的電流信號(hào)與電壓信號(hào)，利用雙閉環(huán)系統(tǒng)的PID 調(diào)節(jié)算法，使并聯(lián)DC-DC輸出穩(wěn)定，并且可以實(shí)現(xiàn)均流，和任意給定的比例下準(zhǔn)確分流，在過流時(shí)候封鎖輸出，故障消除自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行的保護(hù)設(shè)計(jì)，硬件電路簡(jiǎn)單，靈活性好，從測(cè)試數(shù)據(jù)與系統(tǒng)運(yùn)行情況來(lái)看，本系統(tǒng)的誤差較小，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，經(jīng)實(shí)地測(cè)試，能夠較好滿足現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需要。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)具有良好的推廣和使用價(jià)值。

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