崔壯平+羅華+陳清+謝穩(wěn)

摘 要：為了滿足大功率直流供電的需要，設(shè)計(jì)了一種由若干相同標(biāo)準(zhǔn)直流單元串并聯(lián)組成的直流標(biāo)準(zhǔn)單元，主要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)單元技術(shù)進(jìn)行了介紹，該單元以M4和FPGA為微處理控制核心，以可控硅為功率器件。首先對(duì)標(biāo)準(zhǔn)單元的硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，著重介紹了并聯(lián)時(shí)大功率回路的器件選型；接著對(duì)標(biāo)準(zhǔn)單元的軟件結(jié)構(gòu)和方法進(jìn)行了介紹，在經(jīng)典雙閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上，提出了參數(shù)線性化控制方法，解決了PID參數(shù)自適應(yīng)的問題；最后以自制的直流單元進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，電流輸出控制精度能夠達(dá)到0.2%以上。

關(guān)鍵詞：大功率直流電源；可控硅；移相觸發(fā)；雙閉環(huán)控制

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

A New High Performance and High Power DC Source Based on ARM and FPGA

CUI Zhuang-ping，LUO Hua，CHEN Qing，XIE Wen

（China International Engineering Design and Research Institute Co.，Ltd.，Changsha，Hunan 414000，China）

Abstract：In order to meet the need of high power DC power supply，a DC standard unit which composed of a series of parallel units with the same standard is designed in this paper.In this paper，the standard cell technology is introduced，which takes M4 and FPGA as the core of the micro processing control.In this paper，the hardware structure of the standard unit is designed at first，and the selection of the high power circuit is introduced.Secondly，the software structure and method of the standard unit are introduced，on the basis of the classical double closed loop control，this paper puts forward the parameter linearization control method，which solves the problem of PID parameter self-adaptation.Finally，the experimental results show that the current output control precision can reach more than 0.2%.

Key words：high power DC power supply；silicon control；phase-shift trigger；double closed loop control.

引 言

大功率直流電源廣泛應(yīng)用于冶金、化工及科研領(lǐng)域，大多采用二極管或晶閘管整流。前者不便大范圍平滑調(diào)節(jié)輸出電流或電壓，后者的模擬控制電路很難保證多臺(tái)運(yùn)行的大功率直流電源的輸出性能，而采用數(shù)字控制能大大提高電源可靠性、一致性、精確性。因此，數(shù)字控制技術(shù)也就脫穎而出，成為大功率直流電源的最佳選擇。受目前半導(dǎo)體開關(guān)器件水平的限制，單臺(tái)大容量、兆瓦級(jí)電源技術(shù)尚不成熟，因此模塊化的大功率電源系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，即多個(gè)并聯(lián)運(yùn)行的大功率電源模塊共同為負(fù)載提供電能。

受誤差的不可避免性和工藝水平的限制等因素影響，并聯(lián)運(yùn)行的各電源模塊的參數(shù)都會(huì)存在差異，致使其外特性不盡相同，帶載運(yùn)行時(shí)，會(huì)導(dǎo)致輸出電流大的電源模塊熱應(yīng)力變大 損壞機(jī)率上升，可靠性降低，因此，在多電源模塊并聯(lián)運(yùn)行的電源系統(tǒng)中必須引入有效的負(fù)載電流均流控制，防止一臺(tái)或多臺(tái)電源模塊運(yùn)行在電流極限值（限流）狀態(tài)。

目前，在并聯(lián)的電源系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)均流控制常用的技術(shù)有，輸出阻抗法、主從設(shè)置法、平均電流均流法[1]、最大電流均流法[2]、熱應(yīng)力自動(dòng)控制法和外加均流控制器均流法等[3-5]經(jīng)過比較，在此，設(shè)計(jì)了一種基于ARM和FPGA架構(gòu)的直流電源，可以通過光纖方式進(jìn)行并聯(lián)，采用平均電流均流法和輸出阻抗均流法，完成大功率直流供電，同時(shí)，為了減小整流諧波對(duì)電網(wǎng)的污染，采用多脈波方式進(jìn)行互補(bǔ)并聯(lián)，平均電流均流法主要應(yīng)用于并聯(lián)工況，輸出阻抗均流法主要應(yīng)用于串聯(lián)工況，下面對(duì)直流電源標(biāo)準(zhǔn)單元進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 電源硬件設(shè)計(jì)

1.1 總體硬件結(jié)構(gòu)

直流電源主要分為控制單元和整流回路，如圖1所示，整個(gè)直流電源由若干直流標(biāo)準(zhǔn)單元回路串并聯(lián)組成，單個(gè)整流回路包括整流變壓器、可控硅整流回路和輸出濾波回路，直流控制器從整流變壓器獲取同步信號(hào)，對(duì)可控硅輸出移相觸發(fā)信號(hào)。控制器同時(shí)從輸出回路獲取直流反饋電流和電壓，調(diào)整移相觸發(fā)角度，從而完成電源輸出電流和電壓的閉環(huán)控制，同時(shí)，直流控制器需要完成與其他電源的并聯(lián)通信、與上位機(jī)的人機(jī)交互、通過通訊接受控制設(shè)備的控制信號(hào)，從而使電源按照用戶的要求、按照實(shí)際的工況進(jìn)行直流控制，那么在此處，控制器的設(shè)計(jì)極為重要，直接關(guān)系到電源輸出質(zhì)量。

1.2 直流控制器設(shè)計(jì)

在所有微控制器中，ARM芯片擅長事件管理，DSP芯片擅長數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，F(xiàn)PGA芯片擅長邏輯控制，在實(shí)際應(yīng)用中，直流控制器是一個(gè)同時(shí)需要事件管理、一定數(shù)據(jù)計(jì)算和邏輯控制的設(shè)備，因此，這里設(shè)計(jì)了如圖2所示的直流控制器硬件回路，控制器以M4和FPGA芯片為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，M4芯片自帶ARM內(nèi)核與DSP浮點(diǎn)處理器，對(duì)于整流不算復(fù)雜的事件管理和浮點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算極為合適，因此在此處中主要完成電源的數(shù)字量輸入輸出控制、完成與上位機(jī)的人機(jī)交互、完成與其他設(shè)備的連接、完成AD取樣數(shù)據(jù)的處理（主要用于電源的雙閉環(huán)控制），而對(duì)于可控硅的移相觸發(fā)、以及與其他電源的并聯(lián)，邏輯性和實(shí)時(shí)性要求極高，那么選用FPGA較為合適，在本結(jié)構(gòu)中，主要利用FPGA進(jìn)行同步信號(hào)提取，完成移相觸發(fā)脈沖的生成，同時(shí)，由于并聯(lián)成大功率電源的需求，需要完成并聯(lián)通訊邏輯，保證并聯(lián)的可靠性和實(shí)時(shí)性。endprint

1.3 整流變壓器選擇

為了降低大功率直流電源的諧波，在設(shè)計(jì)單臺(tái)直流電源的時(shí)候就必須對(duì)整流變壓器的選擇格外重視，圖3中，每個(gè)整流橋分別由2個(gè)不同聯(lián)結(jié)形式的變壓器提供三相電壓，其中 △/Y 聯(lián)結(jié)形式的變壓器副邊

電壓與原邊電壓之間存30度的相位差而△/△聯(lián)結(jié)形式的變壓器原邊輸入電壓與副邊輸出電壓之間不存在相位差。在大電感負(fù)載下，若忽略整流橋換相以及直流側(cè)的電流脈動(dòng)，系統(tǒng)每相輸入基波電流與相電壓之間不存在相位差。但是，變壓器的移相作用會(huì)使 2個(gè)整流橋產(chǎn)生的某些次數(shù)諧波之間存在相位差，若其中一個(gè)整流橋產(chǎn)生的某些次數(shù)諧波電流與另外一個(gè)整流橋產(chǎn)生的相應(yīng)次數(shù)的諧波電流幅值相等、相位相反，則該次數(shù)的諧波電流將不會(huì)出現(xiàn)在整個(gè)系統(tǒng)的輸入電流中，圖1中2個(gè)整流橋的輸入電流分別為：

i1（wt）=K2 3πcoswt-cos5wt5+cos7wt7-cos11wt11+…（1）

i2wt=K2 3πcoswt+cos5wt5-cos7wt7-cos11wt11+…（2）

iwt=i1wt+i2wt

=K4 3πcoswt-cos11wt11+… （3）

由上式可知系統(tǒng)輸入電流中不含5次和7次諧波11次和13次諧波幅值相對(duì)于6脈波整流系統(tǒng)變大，輸出電壓由每周期6脈波變?yōu)?2脈波，由此可以顯著將諧波抵消，以此類推，采用18或者24脈方式，將各小直流電源的整流變選成不同角度輸出，將可以大大減小并聯(lián)形成的大功率電源諧波。

2 電源軟件設(shè)計(jì)

2.1 總體軟件設(shè)計(jì)

直流電源的關(guān)鍵在于直流控制器，直流控制器性能的好壞對(duì)電源起了決定性作用，基于上面提出的基于M4和FPGA的控制器結(jié)構(gòu)，提出如圖4所示的軟件結(jié)構(gòu)，主要分為M4的嵌入式程序及FPGA的硬件邏輯。

主要包括：

（1）整流控制器通訊處理程序：主要進(jìn)行人機(jī)交互，并接受其他控制器的控制指令，為直流控制器對(duì)外的主要接口；

（2）直流邏輯控制程序：主要進(jìn)行整流工藝的邏輯處理，完成直流的數(shù)字量輸入輸出控制；

（3）交流及直流電參數(shù)反饋計(jì)算程序：主要進(jìn)行交流參數(shù)取樣及計(jì)算，獲取交流側(cè)信息進(jìn)行電源保護(hù)，進(jìn)行直流參數(shù)取樣及計(jì)算，作為閉環(huán)控制的反饋；

（4）直流雙閉環(huán)控制：主要實(shí)現(xiàn)直流輸出的閉環(huán)控制；

（5）同步信號(hào)提取邏輯：主要實(shí)現(xiàn)交流同步信號(hào)的鎖相；

（6）移相觸發(fā)邏輯：主要用于根據(jù)控制器雙閉環(huán)輸出的角度實(shí)現(xiàn)觸發(fā)信號(hào)生成；

（7）脈沖調(diào)制輸出邏輯：用于實(shí)現(xiàn)觸發(fā)脈沖的調(diào)制輸出，用以驅(qū)動(dòng)可控硅；

（8）光纖通訊邏輯：主要用于實(shí)現(xiàn)控制器之間并聯(lián)通訊，實(shí)現(xiàn)多脈波整流。

2.2 雙閉環(huán)控制技術(shù)設(shè)計(jì)

直流電源的輸出精度主要依賴于控制算法，此處，直流控制采用了如圖所示的經(jīng)典雙閉環(huán)控制，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為電壓環(huán)，電壓環(huán)的輸出為電流環(huán)的給定，電流環(huán)的輸出為可控硅移相觸發(fā)角（輸出范圍為0-120度）。

無論內(nèi)環(huán)還是外環(huán)，均采用工程常用的PID控制，理論公式如（4）所示，進(jìn)行離散化后，位置式的PID如（5）所示，控制步長根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇，一般外環(huán)的控制周期需要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于內(nèi)環(huán)周期，保證雙閉環(huán)控制的穩(wěn)定性，實(shí)際實(shí)現(xiàn)過程中，位置式的PID并不具有太明確的物理含義，因此選擇增量式的PID控制，如（6）所示。

ut=Kpet+1Ti∫etdt+Tddetdt（4）

uk=Kpek+Ki∑kj=0e（j）+Kd[ek-e（k-1）]]（5）

uk=uk-uk-1

=Kpek+Kie（k）+Kd[ek-e（k-1）]] （6）

2.3 線性化控制技術(shù)

對(duì)于直流控制而言，可控輸出的唯一量為移相觸發(fā)角，而對(duì)于直流控制器而言，實(shí)際需要得到的控制對(duì)象為電壓或者電流，那么我們首先需要了解移相觸發(fā)角和電壓的關(guān)系，如公式（7）和（8）所示，移相觸發(fā)角和電壓之間為分段三角函數(shù)關(guān)系，那么就決定了雙閉環(huán)控制的PID參數(shù)存在非線性，一組固定的PID參數(shù)對(duì)于控制器的控制作用在不同輸出下會(huì)有不同效果，比如調(diào)整PID在30度輸出時(shí)具有最佳精度，當(dāng)控制器需要控制在60度時(shí)，這組參數(shù)帶來的控制精度將會(huì)下降。

Ud=62π∫2π3+απ3+α 3× 2U2sinwtdwtα≤601π/3∫ππ3+α 3× 2U2sinwtd（wt）α>60（7）

Ud=2.34U2cosαα≤602.34U21+cosπ3+αα>60（8）

為了保證輸出控制的一致性，應(yīng)該對(duì)PID輸出量做線性化處理，假定PID輸出為電壓，那么，在每次PID控制輸出后都需要進(jìn)行一次移相角計(jì)算，即為（8）式的反函數(shù)：

α=arccos Uk2.34U2α≤60arccosUk2.34U2-1-π3α>60（9）

這樣，經(jīng)過增量式PID控制輸出后，采用（9）進(jìn)行計(jì)算，再來調(diào)整PID參數(shù)，都可以得到最佳值。

2.4 標(biāo)準(zhǔn)單元串并聯(lián)均流控制

控制單元之間通過光纖并聯(lián)，由FPGA實(shí)現(xiàn)光纖并聯(lián)的控制邏輯，實(shí)現(xiàn)各控制器之間的同步協(xié)調(diào)控制，對(duì)于并聯(lián)實(shí)現(xiàn)大電流工況，采用平均電流法，各整流回路獨(dú)立完成平均電流大小控制；對(duì)于串聯(lián)實(shí)現(xiàn)大電壓的工況，采用負(fù)載均流法，各單元采用相同的整流移相角控制，由負(fù)載自動(dòng)完成均流作用。

3 結(jié) 果

以上述結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了如圖7所示整流單元，其中，控制器部分，考慮到整流一般為工業(yè)用途，因此選擇恩智浦LPC4000系列的M4芯片LPC4088FET208作為事件管理及控制MCU，考慮到整流控制的邏輯較為簡(jiǎn)單，為了節(jié)約成本，選擇Altera的低端FPGA—EP1C3T144C8，根據(jù)控制器的需要，將控制板分成了模擬取樣、數(shù)字量IO、通訊、同步和脈沖放大等部分。完成了圖中的控制部分，功率部分安裝于控制單元內(nèi)部，并配以相應(yīng)的散熱、電器回路，即完成電源的基本單元。

之后，我們以該標(biāo)準(zhǔn)單元為基礎(chǔ)，進(jìn)行了直流電源電流輸出能力測(cè)試，得到了如表1和表2所示結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，新型直流控制器的純電流環(huán)控制精度誤差可以控制在0.2%以內(nèi)，電壓外環(huán)及電流內(nèi)環(huán)同時(shí)作用下，電壓控制精度，仍然可以達(dá)到0.5%。

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