基于數字PID的開關電源并聯系統實驗研究

蘆守平, 國 強, 刁 鳴

(哈爾濱工程大學 信息與通信工程學院 國家級電工電子實驗教學中心, 黑龍江 哈爾濱 150001)

基于數字PID的開關電源并聯系統實驗研究

蘆守平, 國 強, 刁 鳴

(哈爾濱工程大學 信息與通信工程學院 國家級電工電子實驗教學中心, 黑龍江 哈爾濱 150001)

為了很好地解決開關電源并聯時各電源模塊間電流不相等的問題,基于數字PID控制算法,提出了多路電源模塊并聯的均流方案,并收到了良好的負載均流控制效果。在實驗中使用的并聯系統樣機由2個輸出電壓12 V、負載電流2 A的電源模塊搭建而成。實驗數據表明:均流精度達0.6%以內,輸出功率越大,均流效果越好；在動態負載下,輸出電壓變化小于0.35%。

開關電源； 并聯控制； 均流技術； PID算法

大功率輸出、不間斷供電電源的解決方案之一是采用多臺開關電源模塊并聯供電。單機開關電源功率過大會造成電源設備冷卻困難,同時,單機大功率開關電源的電源應力會提高,可靠性將降低。工程上電源輸出功率擴大采用多路電源并聯,僅僅通過簡單的并聯方式不能保證功率擴大后的電源系統穩定、可靠地工作。實際中,并聯各電源模塊外特性不盡相同,有的模塊輕載、有的模塊重載甚至過載運行,負載供電穩定性較差,影響系統可靠運行。為可靠地實現開關電源并聯工作,關鍵的是要解決各電源模塊的均流控制問題。均流是指當負載變化時,并聯工作的每個電源模塊的輸出電壓變化相同,使每臺電源的輸出電流按功率份額均分,使單個電源不至于工作在過載狀態,以保證整個供電系統正常工作。

1 開關電源并聯系統的均流方案

均流技術是對系統中各并聯電源的輸出電流加以控制,盡可能均分系統輸入的總電流,確保多臺電源可靠運行的一種特殊措施。電源并聯均流技術應滿足的條件有:所有電源模塊單元應采用公共總線,整個系統應有良好的均流瞬態響應特性,整個并聯輸出擴流系統有一個公共控制電路等。

均流控制實現的方法有多種,可以分為模擬方法和數字方法兩種。常見的模擬并聯均流技術有:輸出阻抗法、主從設置法、平均電流值自動均流法、外加均流控制器均流法和強迫均流法等,這些均流方法大多采用模擬量控制。以強迫均流法為例說明模擬控制方式的特點。強迫均流原理圖[1]如圖1所示,整個電源系統的均流采用電源監控模塊實時控制。采樣電壓Us與系統基準電壓Ur相比較產生誤差電壓Ue,該電壓送至每個模塊與模塊電流進行比較,影響模塊的參考電壓,從而改變輸出電壓,調節輸出電流,使每個模塊輸出電流相等。可看出,每個模塊都相當于電壓控制的電流源。模擬方法實現模塊間的均流存在的問題是采用元器件多,電路調整設置復雜,均流精度低(約1%～5%)[1-5],均流效果不十分理想。

圖1 強迫均流原理圖

與模擬均流方法相比,數字均流具有可編程、受環境影響少、需要的元器件少、采用相應軟件可以實現復雜控制等優點[6-10],是均流技術發展的方向。下面基于數字PID控制算法進行開關電源并聯系統的均流控制。

2 PID控制原理

2.1 位置式PID控制原理

PID控制是一種具有幾十年應用經驗的控制算法,在工業控制系統中已經得到了廣泛的應用[11]。位置式PID的離散數學表達式為

(1)

式中:u(n)為第n次采樣時刻的計算機輸出值，n為采樣序號,n=0,1,2,…；e(n)為第n次采樣時刻輸入偏差值；e(n-1)為第(n-1)次采樣時刻輸入偏差值；KP為比例系數,KI為積分系數,KD為微分系數。

式(1)通常又稱為位置式PID控制典型表達式。從式(1)可看出，輸出值u(n)是過去誤差值的累加量,其數字化后應用到開關電源的并聯系統中,系統經n次數據采集易產生積累誤差,控制起來也不方便,即控制精度不容易實現,穩態輸出特性差。

2.2 增量式PID控制原理

當執行機構需要控制的量是增量時,較理想的方案是采用增量式PID控制,增量式PID算法其表達式為

(2)

式中:u(n)、u(n-1)分別為n、n-1時刻的PID控制器的輸出值。

根據增量式PID算法可以推導出位置式PID算法的遞推形式,其表達式為:

(3)

式(3)中:w(n)為系統的輸入量,y(n)為控制對象的測量值。

這就是計算機控制中廣泛應用的數字遞推PID控制算法。只需在增量型PID算法流程基礎上,增加一次加運算u(n)=u(n-1)+Δu(n)和更新u(n-1)即可。相對于非遞推式而言,從式(3)可看出,遞推式位置算法在計算過程中只與最近3次誤差值有關。因此,位置式PID算法遞推形式有計算量小,可靠性高的特點。

3 增量式PID控制并聯開關電源的實現

3.1 增量式PID并聯開關電源硬件

增量式PID并聯開關電源硬件框圖見圖2。在實驗研究中采用兩路直流開關電源并聯,進行的理論推導和算法的演示所得結論可擴展到n路并聯供電系統中。

開關電源并聯系統以單片機作為控制與檢測核心。單片機選用美國德州儀器(TI)公司16位RISC混合信號處理器MSP430F149[12],它具有處理能力強、運算速度快、超低功耗、片內資源豐富和開發方便高效等特點,在系統中實現了被控對象要求的數據采集、分析處理、狀態顯示、輸出控制等功能。其內部有定時器A和B,稱為TimerA3和TimerB7,其中TA0與TB0用于脈沖寬度(PWM)周期控制,不能輸出PWM信號,這是由MSP430F149的定時器工作模式所決定的；因此有8個PWM輸出,即TA1、TA2、TB1、TB2、TB3、TB4、TB5以及TB6,它們實現PWM占空比的調整和控制,輸出的是希望的PWM信號。MSP430F149的ADC12為SAR型12位AD,共有16路輸入通道,其中8路獨立的外部輸入通道。

開關電源模塊兩路都采用單端反激式拓撲結構,由單片機在定時中斷內用軟件實現PWM的調節[8-13]。使用2個霍爾元件分別對兩路輸出電流I1和I2采樣,并轉換為電壓信號。并聯供電系統輸出電壓、電流信號(轉換電壓信號)經單片機內部12位ADC采樣轉換后送至CPU進行處理,形成閉環反饋控制。

用增量式PID算法實時調整PWM信號的占空比以保證穩壓輸出,同時,用軟件方法對兩路電流反饋信號進行處理,分別測算出兩并聯支路的電流值I1和I2。系統輸出電流為兩并聯支路電流之和,即IO=I1+I2=U/R,任意時刻輸出電壓U和輸出電阻R都是某一定值,所以電流和IO為一定值。

圖2 增量式PID并聯開關電源硬件框圖

3.2 增量式PID控制算法設計

以2個并聯電源模塊的電流I1、I2為實驗對象:負載電流為IO,2條支路電流之和可表示為

(4)

從式(4)可看出,任意時刻實際輸出電壓UO和電流IO都是某一定值,所以動態輸出電阻R為一定值；通過輸出電壓的設定值Ur和某一時刻的動態輸出電阻R算出此刻所需的電流Ir,最終確定兩路電流I1和I2的大小。

遞推式位置PID算法的實現過程:以并聯的第1支路為例,首先由單片機讀取數字形式的實際電流值I1,然后和設定電流Ig相比較,得出差值e(n)=Ig-I1,根據e(n)的正負與大小,調用位置式PID算法的遞推形式(3),計算得到與所需輸出電流相對應的占空比,進而調節實際輸出電流的大小。

3.3 增量式PI調節子程序流程圖

本電源并聯系統由單片機在定時中斷內用軟件實現脈沖寬度的調節,最終形成電源系統閉環反饋控制。并聯電源控制系統全部是由軟件實現的,整個系統實現的軟件流程圖較大,會占去文章較大篇幅,在此僅提供增量式PI調節子程序流程圖,如圖3所示。

圖3 PI調節子程序流程圖

3.4 實驗測試數據

兩路開關電源并聯系統直流輸出電壓和電流數據由普源電子多用表DM3058e測試得到。DM3058e是5位半數字電子儀器,該儀器測試精度足以保證其測試要求。測試值見表1,均流效果良好。

表1 兩路開關電源并聯支路電流I1、I2和輸出電壓Uo實驗測試值

4 結論

開關電源并聯系統采用了增量式PID數字均流控制技術,整個系統只需一片MSP430F149作為處理器,利用單片機軟件實現了并聯系統控制,從而獲得了理想的均流效果,系統運行穩定、可靠,設計簡單,可重構性強。本系統架構可擴展到8路開關電源并聯系統中,系統功耗小、成本低,便與調試和維護,是一個很好的實驗應用范例,且具有工程實用價值。

References)

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Experimental study of a parallel switching power supply system based on digital PID

Lu Shouping, Guo Qiang, Diao Ming

(National Level Electrotechnics & Electronics Experiment Education Center,College of Information and Communication Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001, China)

Based on digital PID control algorithm,a current sharing solution for the parallel switching power supply system is proposed to well solve the problem of output current inequality between the power supply modules, which achieves the desired control effect of current sharing.A prototype with two 12 V/2 A single-end flyback switching power supply modules is set up.The experimental data shows that the current sharing accuracy is better than 0.6%,and the greater the output power is,the better the current sharing accuracy is; the output voltage variation is less than 0.35% with a dynamic load.

switching power supply; parallel control; current sharing technology; PID algorithm

2014- 11- 17 修改日期：2015- 01- 06

2013年黑龍江省教育廳教改項目“多學科視角下探索高校研究生創新能力的培育”(JG2013010175)

蘆守平(1956—)，男，遼寧蓋縣，工學學士，高級實驗師，主要研究方向為功率電子技術、電工學實驗教學和指導學生課外科技創新活動.主編出版了《電工與電子技術實驗教程》教材兩部,獲國家發明專利一項,指導學生全國電子設計競賽獲“國家一等獎”一次、全國大學生節能減排科技競賽獲“二等獎”一次等各種獎項多次.

E-mail：lushouping@hrbeu.edu.cn

TN86

A

1002-4956(2015)7- 0046- 03