王重, 劉斌, 黃金霞, 張曙云

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開關(guān)電源并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)化供電系統(tǒng)及其優(yōu)化控制

王重, 劉斌, 黃金霞, 張曙云

(湖南工業(yè)大學(xué)理學(xué)院,湖南株洲, 412007)

針對(duì)智能微電網(wǎng)供電穩(wěn)定性差的問題, 設(shè)計(jì)了一種基于MSP430和TPS5430的開關(guān)電源網(wǎng)絡(luò)化供電系統(tǒng)。硬件設(shè)計(jì)部分, 以單片機(jī)MSP430芯片構(gòu)成主控最小系統(tǒng), 用BUCK型芯片TPS5430選擇主從均流法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電流均流, 實(shí)現(xiàn)了DC-DC高效變換。軟件設(shè)計(jì)部分, 構(gòu)建了一套嵌入脈沖控制思想的實(shí)時(shí)檢測算法, 優(yōu)化處理因系統(tǒng)噪聲和外界干擾而引起的系統(tǒng)不穩(wěn)定。MATLAB仿真測試結(jié)果表明, 本系統(tǒng)抗干擾強(qiáng), 輸出穩(wěn)定。

開關(guān)電源;主從均流; 脈沖控制

隨著國家新能源戰(zhàn)略的部署, 智能微電網(wǎng)快速發(fā)展, 并網(wǎng)的分布式供電單元越來越多。各供電單元輸出很難完全一致, 增加了微電網(wǎng)并網(wǎng)干線供電的波動(dòng)性和隨機(jī)性, 因此, 微電網(wǎng)輸出的穩(wěn)定性和可靠性是當(dāng)前的一項(xiàng)研究熱點(diǎn)[1–2]。

目前國內(nèi)外許多專家在控制器件和控制理論等方面進(jìn)行了深入的研究[3–4], 提出了脈沖控制、切換控制[5]等理論, 解決了微電網(wǎng)供電系統(tǒng)中大量的穩(wěn)定性問題, 但也使得電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜, 運(yùn)營成本也越來越高。此外, 為了消除微電網(wǎng)能源供給的波動(dòng)性, 文獻(xiàn)[6]和[7]中介紹了幾種濾波器來增強(qiáng)供電的可靠性, 文獻(xiàn)[8]對(duì)電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì), 如集中式結(jié)構(gòu)、多層次結(jié)構(gòu)等, 文獻(xiàn)[9]給出了基于MSP430單片機(jī)的微電網(wǎng)并網(wǎng)的設(shè)計(jì), 實(shí)現(xiàn)了微電網(wǎng)的軟件控制。其中控制芯片MSP430單片機(jī)是TI公司設(shè)計(jì)的一款高性能單片微型計(jì)算機(jī)(Single Chip Microcomputer, SCM), 具有超低功耗、超強(qiáng)處理能力、系統(tǒng)工作穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)。

鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一種新型的開關(guān)電源網(wǎng)絡(luò)化供電系統(tǒng), 選擇單片機(jī)MSP430F1611作為最小系統(tǒng)的主控芯片, 采用BUCK型芯片TPS5430實(shí)現(xiàn)DC-DC高效變換, 選擇了主從均流法[10–11]實(shí)現(xiàn)均流, 并在各個(gè)端口設(shè)有信號(hào)檢測。為了減少誤差, 所有檢測對(duì)象都采用金屬膜功率電阻。為了保護(hù)電路設(shè)備, 在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)有過流保護(hù)電路, 最后將所有的輸出參數(shù)顯示在LCD12864上。本文軟件設(shè)計(jì)部分首次把脈沖控制思想[12]嵌入其中, 同時(shí)在各重要節(jié)點(diǎn)設(shè)有濾波器, 顯著地提高了系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定性和可靠性。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)包括6個(gè)模塊: 系統(tǒng)供電模塊、DC-DC模塊、電流均流模塊、過流保護(hù)模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、顯示模塊。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

圖1中, 系統(tǒng)供電模塊由微電網(wǎng)提供; DC-DC變換模塊以高效率轉(zhuǎn)換芯片TPS5430為核心, 輸出電壓穩(wěn)定; 電流均流模塊采用主從均流法, 以其中一個(gè)開關(guān)電源模塊為主模塊, 另一個(gè)開關(guān)電源模塊為從模塊, 檢測2個(gè)開關(guān)電源模塊的輸出電流, 經(jīng)比較器OP37比較后產(chǎn)生偏差, 再用偏差信號(hào)作為從模塊電流的控制信號(hào), 使得從模塊電流得到調(diào)節(jié)并和主模塊電流保持一致; 并聯(lián)供電系統(tǒng)輸出電壓及電流經(jīng)檢測及處理電路送至MSP430F1611單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊, MCU進(jìn)行信號(hào)檢測判斷, 系統(tǒng)正常運(yùn)行則不動(dòng)作, 否則進(jìn)行脈沖控制或驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)電路, 所有輸出參數(shù)在顯示模塊液晶顯示屏LCD12864進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示; 系統(tǒng)設(shè)有按照自動(dòng)重合閘裝置原理設(shè)計(jì)的過流保護(hù)電路, 當(dāng)系統(tǒng)的負(fù)載電流超過設(shè)定閾值時(shí), 就啟動(dòng)過流保護(hù)模塊電路電路切斷開關(guān)電源, 延時(shí)后再自動(dòng)恢復(fù)供電, 若過電流繼續(xù)存在, 則會(huì)徹底關(guān)閉電源。

2 系統(tǒng)硬件

2.1 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

MSP430系列單片機(jī)時(shí)鐘模塊包括數(shù)控振蕩器(DCO)、低速晶體振蕩器和高速晶體振蕩器。本系統(tǒng)通過設(shè)計(jì)多個(gè)時(shí)鐘源或?yàn)闀r(shí)鐘設(shè)計(jì)各種不同工作模式, 解決外圍部件實(shí)時(shí)應(yīng)用的時(shí)鐘要求, 如低頻通信、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、LCD顯示等。數(shù)字控制振蕩器DCO集成在MSP430內(nèi), 本系統(tǒng)只需設(shè)計(jì)低速晶體振蕩器和高速晶體振蕩器2部分電路。低速晶體振蕩器(LFXTl)滿足了低功耗及使用32.768 kHz晶振的要求。LFXTl振蕩器默認(rèn)工作在低頻模式, 即32.768 kHz, 也可以通過外接450 kHz～8 MHz的高速晶體振蕩器或陶瓷諧振器工作在高頻模式。本系統(tǒng)采用低頻模式, 晶振外接2個(gè)22 pF的電容經(jīng)過IN和OUT連接到MCU。4和5為LCD顯示輸出端口,6為ADC和DAC轉(zhuǎn)換端口,1～3為控制端口, LCD12864液晶顯示電路設(shè)計(jì)直接給出。MCU最小系統(tǒng)[12]如圖2所示。

2.2 DC-DC轉(zhuǎn)換

設(shè)計(jì)DC-DC模塊時(shí), 把微電網(wǎng)整流后的輸入電壓整定為in= 9 V, 先用一個(gè)開關(guān)電源芯片輸出電壓, 通過改變3和4使輸出電壓o= 8 V。再用另外一個(gè)TPS5430芯片接成同樣的BUCK型電路, 將2模塊并聯(lián)起來。2模塊的電流之和理論上應(yīng)該為負(fù)載上的電流, 可以通過MCU控制和改變電阻阻值來調(diào)節(jié)各模塊上的電流。DC-DC模塊如圖3所示。

圖2 MCU最小系統(tǒng)

圖3 DC-DC電路圖

圖3中,1為儲(chǔ)能電感,1為0.05 Ω的低溫漂金屬膜取樣電阻,1為續(xù)流二極管。10 μF電容濾除高頻信號(hào), 為保證輸出電壓精度高, 此電容應(yīng)盡量靠近TPS5430芯片。反饋線要遠(yuǎn)離電感, 調(diào)節(jié)輸出電壓的電阻3、4要靠近TPS5430的4腳。電路中電感和電容的選擇對(duì)電路輸出起到至關(guān)重要的作用。圖3中電感。式中紋波系數(shù)IND取0.2,o= 1 A,SW= 500 kHz是開關(guān)電源的工作頻率, 電感起儲(chǔ)能作用, 電感量不能太小, 太小會(huì)引起電感的磁飽和; 電感量太大, 電感上會(huì)有很大的銅損和鐵損, 而且電感大, 銅線匝數(shù)多, 電阻大, 損耗也大。電容。式中,CO是閉環(huán)交叉頻率, 為2 590Hz。綜合以上情況, 電感量取30 μH, 電容取470 μF。輸出電壓的計(jì)算可由給出。其中,ref= 1.23 V, 為了確保輸出穩(wěn)定,4選用的標(biāo)稱阻值為5 kΩ, 精度為2%的電阻。其工作原理是: 開關(guān)模塊芯片TPS5430的反饋端電壓在1.23 V左右, 5腳ENA使能端只有高電平芯片才能工作, 可以實(shí)現(xiàn)過流電保護(hù), 芯片通過內(nèi)部500 kHz頻率振蕩, 使4引腳腳電壓穩(wěn)定在1.23 V, 通過改變3和4的阻值可以改變輸出電壓的大小, 因此, 該電路最終在外圍器件選擇合理的情況下, 如何合理選擇3、4就很重要。

2.3 主從均流

主從均流電路圖如圖4所示。假設(shè)2個(gè)并聯(lián)的開關(guān)電源模塊分別為模塊1和模塊2, 2個(gè)模塊輸出端均設(shè)置了電流檢測, 電流檢測信號(hào)經(jīng)放大器放大后分別送至比較器OP37進(jìn)行比較, 其中模塊1為主模塊, 其電流作為基準(zhǔn)電流。當(dāng)從模塊2電流與主模塊1電流不同時(shí), 比較器輸出偏差電壓反饋至從模塊2中的TPS5430引腳從而對(duì)從模塊2電流進(jìn)行調(diào)節(jié), 實(shí)現(xiàn)主從模塊電流一致, 即主從均流。

圖4 主從均流電路圖

3 系統(tǒng)軟件

3.1 脈沖控制軟件

如果離散系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)脈沖現(xiàn)象, 即系統(tǒng)的狀態(tài)在某一些時(shí)刻發(fā)生脈沖跳變, 這種系統(tǒng)被稱為脈沖型-離散時(shí)間系統(tǒng), 系統(tǒng)分析這種具有脈沖行為的離散線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性, 并通過軟件脈沖控制解決這些脈沖現(xiàn)象。

脈沖型–離散時(shí)間線性系統(tǒng)的模型為

式(1)～(2)中: 系數(shù)矩陣、為階的方陣,= 0, 1, 2,…; 在N時(shí)刻, 系統(tǒng)狀態(tài)具有脈沖跳變x(); 離 散時(shí)間{N}為系統(tǒng)的脈沖時(shí)間, 滿足由于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有穩(wěn)定性, 接下來 分析系統(tǒng)具有穩(wěn)定性的情況。

如果系統(tǒng)(1)具有穩(wěn)定性時(shí), 討論系統(tǒng)(1)、(2)在脈沖發(fā)生情況下的穩(wěn)定性問題。

定理1 如果系統(tǒng)(1)、(2)滿足條件: (a) 離散時(shí)間{N}序列滿足(b) 系數(shù)矩陣的范數(shù); (c) 系數(shù)矩陣滿足, 則系統(tǒng)(1)、(2)指數(shù)穩(wěn)定, 即狀態(tài)()以指數(shù)形式收斂到0。

由條件(a)可得≥2, 且由條件(b), 存在一個(gè)正整數(shù)0和正數(shù)＜1, 當(dāng)＞0時(shí), 有。因此, 由式(3)可得, 當(dāng)時(shí),

若式(4)中＜1, 當(dāng)且僅當(dāng)趨向無窮大,趨向于無窮大, 可得。系統(tǒng)具有穩(wěn)定性。脈沖控制在MATLAB中的優(yōu)化結(jié)果仿真如圖5所示。圖5中分別有2個(gè)正負(fù)干擾信號(hào)作用于系統(tǒng), 在脈沖控制的作用下, 最終都衰減趨于0, 從而保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖5 脈沖控制干擾量變化曲線

3.2 系統(tǒng)軟件主流程

系統(tǒng)通過MSP430單片機(jī)將系統(tǒng)的輸出電壓, 2個(gè)模塊的電流實(shí)時(shí)顯示出來, 同時(shí)還實(shí)現(xiàn)軟件過流保護(hù)。對(duì)電壓電流采樣并進(jìn)行顯示時(shí), 充分利用MSP430單片機(jī)的ADC12_A模塊資源, ADC12_A模塊能夠?qū)崿F(xiàn)12位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換, 通過采樣數(shù)據(jù)的比較, 也可以控制其他模塊正常運(yùn)行。主程序流程如圖6所示。圖6中, 系統(tǒng)首先對(duì)單片機(jī)初始化, 然后選擇端口, 一部分端口進(jìn)行LCD顯示, 一部分端口檢測各路采樣電阻的采樣電壓。若正常運(yùn)行, 則單片機(jī)不作為; 若出現(xiàn)干擾且對(duì)設(shè)備無損壞, 則啟動(dòng)脈沖控制消除干擾; 若出現(xiàn)干擾且損壞設(shè)備, 則啟動(dòng)過流保護(hù)切斷電源, 再延時(shí)重合閘, 重新開始運(yùn)行。

圖6 主程序流程

4 系統(tǒng)測試

4.1 負(fù)載調(diào)整與輸出電壓測試

當(dāng)in= 9 V, 負(fù)載由1 kΩ減少到8 Ω時(shí), 輸出電壓(多次測量取平均值)的測試結(jié)果如表1所示。

表1 負(fù)載調(diào)整與輸出電壓測試

由表1可知, 電壓變化最大為0.02 V, 設(shè)計(jì)要求輸出o為 8 V, 相對(duì)誤差Δ不超過± 0.4 V, 滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 系統(tǒng)效率測試

當(dāng)輸入in= 9 V, 輸入電流= 1 028 mA時(shí), 系統(tǒng)效率的檢測結(jié)果如表2所示。由表2可知, 輸出電壓o= 7.98 V, 輸出電流o= 991 mA, 輸出效率已經(jīng)很高, 滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 系統(tǒng)效率檢測

4.3 均流測試

在負(fù)載電阻很小的情況下, 輸出總電流1 A時(shí), 兩模塊電流依然滿足設(shè)計(jì)要求的1∶1分配, 電流均流測試結(jié)果如表3所示。相對(duì)誤差也在5%(25 mA)范圍內(nèi), 均流測試結(jié)果達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)A路電流實(shí)測效果如圖7所示, 系統(tǒng)B路電流實(shí)測效果如圖8所示, 系統(tǒng)運(yùn)行顯示效果如圖9所示。

表3 電流均流測試

圖7 系統(tǒng)A路電流實(shí)測效果

圖8 系統(tǒng)B路電流實(shí)測效果

圖9 系統(tǒng)運(yùn)行顯示效果

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于MSP430和TPS5430的開關(guān)電源供電系統(tǒng), 利用MCU實(shí)時(shí)監(jiān)測控制和脈沖控制思想, 實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)輸出穩(wěn)定的目的, 把“粗電”轉(zhuǎn)化為“精電”, 為智能微電網(wǎng)的應(yīng)用增添了新的途徑。此外, 本設(shè)計(jì)只是初步研究開關(guān)電源系統(tǒng), 在今后的研究中還會(huì)繼續(xù)解決以下問題:

(1) 本次設(shè)計(jì)只是實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)1∶1均流, 以后會(huì)進(jìn)一步研究電流均流成比例∶(≠)的情況, 通過軟件控制來實(shí)現(xiàn)比例均流。

(2) 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上, 本文著眼于系統(tǒng)具有穩(wěn)定性的情況進(jìn)行脈沖控制的, 接下來會(huì)進(jìn)一步研究系統(tǒng)設(shè)計(jì)上不具有穩(wěn)定性的情況下進(jìn)行脈沖控制。

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(責(zé)任編校:劉剛毅)

Design ofswitching power supply with parallel network power supply system and optimal control

Wang Zhong, Liu Bin, Huang Jinxia, Zhang Shuyun

(School of Science, Hunan University of Technology, Zhuzhou 412007, China)

Aiming at many distributed power supply units for smart microgrids and their power supply stability is poor and their uses are less, a switching power supply system based on MSP430 and TPS5430 is designed. Hardware system design, using MCU MSP430 chip to constitute the main control system, with BUCK type DC-DC chip TPS5430 to achieve efficient transformation, master-slave current flow method to achieve the current average flow for system, designed a stable, accurate, fast switching power supply optimization control system. Software algorithm design constructed a set of real-time detection and control algorithm, and embedded the theory of pulse control algorithm to optimally deal with system instability caused by system noise and external disturbance. MATLAB simulation and experimental results show that the system has strong anti-interference and output stability.

switching power supply; master-slave current flow; pulse control

10.3969/j.issn.1672–6146.2017.01.011

TP 368; TM 46

A

1672–6146(2017)01–0049–06

王重, 1070768405@qq.com。

2016–09–18

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61673165), 湖南工業(yè)大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(CX1603)。