全數(shù)字化特種電源實時并機系統(tǒng)研究

摘要：在分析數(shù)字化并機網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)及CAN總線延時的基礎(chǔ)上，針對特種電源需要均流精度高，信號抗干擾強等特點設(shè)計了基于CAN總線結(jié)構(gòu)的全數(shù)字化實時并機控制系統(tǒng)。采用實時操作系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力，并在網(wǎng)絡(luò)利用率最大化前提下，通過加入備用機控制算法，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和輸出功率的上限。最后，采用ARM芯片設(shè)計了數(shù)字化實時并機系統(tǒng)，并在兩臺25 kW的特種電源樣機上進行了均流特性和實時性實驗，實驗結(jié)果驗證了該系統(tǒng)的可行性。
關(guān)鍵詞：特種電源；均流；實時性

1 引言
數(shù)字化電源在中大功率開關(guān)電源中應(yīng)用廣泛，通過數(shù)字通信技術(shù)實現(xiàn)并機均流控制成為并機技術(shù)研究發(fā)展的方向之一。數(shù)字通信結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)點獨立性強，便于實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，在此基礎(chǔ)上衍生出許多并機控制方式。
隨著并機功率的不斷增加，網(wǎng)絡(luò)資源利用率引起的系統(tǒng)延時問題也得到人們的關(guān)注。針對特種電源的工作性質(zhì)，例如需要在高溫、強電磁干擾、震動、磨損等工況下工作時間長等，其控制系統(tǒng)需要有較高的穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)需要有較高的安全性和實時性。
這里對比了不同的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，分析了CAN總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，在網(wǎng)絡(luò)資源負載一定的情況下利用備用機提高并機系統(tǒng)的功率輸出。最后，以集成有CAN總線的ARM芯片為核心，設(shè)計了針對特種電源的實時并機控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用多任務(wù)實時系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)處理速度，并且設(shè)計實驗驗證了系統(tǒng)的均流特性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。

2 特種電源的數(shù)字化并機方案
2．1 并機均流方案
并機均流方案可分為輸出阻抗法、主從控制法、平均電流自動均流法、最大電流自動均流法和外控制器法等。數(shù)字控制與數(shù)字通信的特點可以很好地實現(xiàn)平均電流法。
平均電流法是通過均流母線獲得系統(tǒng)的平均電流，并與模塊電流進行比較，通過均流處理得出補償電流基準(zhǔn)，能夠精確實現(xiàn)均流的方法。但是模擬的均流母線上若出現(xiàn)短路或者不工作機，那么母線上電壓將會下降到下限，引起故障。通過數(shù)字通信技術(shù)獲得各個模塊的電流，可有效地避免上述情況的產(chǎn)生。
2．2 網(wǎng)絡(luò)拓撲的選擇
常用的網(wǎng)絡(luò)拓撲有環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓撲、菊花鏈網(wǎng)絡(luò)拓撲、總線式網(wǎng)絡(luò)拓撲。環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓撲具有結(jié)構(gòu)簡單，傳輸速度快等優(yōu)點，但其數(shù)據(jù)要通過每個節(jié)點并沿著固定方向傳輸，若出現(xiàn)一個節(jié)點不工作將會使系統(tǒng)崩潰，而且其結(jié)構(gòu)固定、可擴展性差。
菊花鏈?zhǔn)綖橄噜弮蓚€節(jié)點間數(shù)據(jù)相互交換的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，這樣可避免環(huán)形鏈中一個節(jié)點故障而引起的系統(tǒng)崩潰，并且具有較好的擴展性。由于其結(jié)構(gòu)是點對點信息發(fā)送模式，所以到達主節(jié)點的信息就存在著不同的延時。因此，為保證數(shù)據(jù)的實時性，傳輸介質(zhì)需要有較大帶寬容量。
總線式網(wǎng)絡(luò)拓撲是一點對多點的廣播模式，具有結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)點可擴展性好，支持熱拔插等優(yōu)點。在開關(guān)電源并機技術(shù)中采用較多的是CAN總線技術(shù)，其傳輸速度快，最高可以達到1 Mbps，并且抗干擾能力強，符合特種電源的工作要求。

3 CAN總線延時分析
上述CAN總線的優(yōu)點可很好地滿足平均電流法毫秒級的動態(tài)響應(yīng)時間和特種電源對數(shù)據(jù)實時性和安全性的要求。根據(jù)文獻中提供的方法可估算網(wǎng)絡(luò)通道容量。假定控制算法中僅需每個模塊的電壓和電流，并且每個數(shù)據(jù)幀發(fā)送的幀頭數(shù)據(jù)位為50％，則通道容量可近似為：
C=Nnnnbfos(1+50％) (1)
式中：N為每個節(jié)點需要傳輸?shù)淖兞總€數(shù)；nn為系統(tǒng)節(jié)點數(shù)；nb為每個字長的位數(shù)；fos為系統(tǒng)開關(guān)頻率。
根據(jù)式(1)得出網(wǎng)絡(luò)拓撲下并機個數(shù)的上限。CAN總線延時為：
Td=Td0／(1-D) (2)
式中：Td0為網(wǎng)絡(luò)空閑時的有效延時；D為網(wǎng)絡(luò)占用率，0≤D≤1。
根據(jù)式(2)可知，CAN總線并機不能盲目添加節(jié)點，當(dāng)D=1時，總線延時無窮大。CAN總線延時由報文編碼、仲裁延時、傳輸延時和報文譯碼組成。其中報文編譯碼是由控制芯片處理速度和報文結(jié)構(gòu)選擇決定，隨著數(shù)字芯片的不斷升級，此延時可忽略不計。因此，CAN延時主要由仲裁延時Tm和傳輸延時Cm決定。其中Cm的計算式為：
Cm={8N+44(64)+[8N+34(54)-1]／5)／S (3)
式中：N為報文中包含的數(shù)據(jù)個數(shù)：S為總線設(shè)定的波特率。
對于Tm則要根據(jù)總線狀態(tài)與高優(yōu)先級競爭總線的關(guān)系決定，此處假設(shè)Tm一定，對Cm進行分析。CAN總線在標(biāo)準(zhǔn)幀(擴展幀)Cm的計算公式，即數(shù)據(jù)從占用網(wǎng)絡(luò)到釋放網(wǎng)絡(luò)所需要的時間，如式(3)所示。由式(3)知，當(dāng)S=500 Kbps時，Cm為微秒級，滿足并機實時性要求。
在基于總線結(jié)構(gòu)的N+n(N，n為工作機、冗余機個數(shù))并聯(lián)冗余技術(shù)中每個模塊工作在N／(N+n)的額定功率上，當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)故障機時，故障機抽離，其他工作機平分多出的功率以實現(xiàn)輸出功率恒定。此模式需要所用工作機實時占用網(wǎng)絡(luò)，在進行并機擴展中可能會因為網(wǎng)絡(luò)資源負擔(dān)引起不必要的延時。而且在N較小時，模塊處于低功率輸出，此時輸出效率較低。這里選用備用模塊概念，提高正常工作模塊的輸出功率，減少其冗余的功率，如果故障機出現(xiàn)則使用備用機代替其輸出，而且備用機在未觸發(fā)啟動時在總線中只做接聽模塊，并不占用網(wǎng)絡(luò)資源。此外啟動備用機的信號具有網(wǎng)絡(luò)占用優(yōu)先級，以保證備用機迅速啟動。并機網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

加入備用機算法可在提高并機模塊功率輸出的同時無需考慮模塊的冗余問題，使得模塊可以在較好的功率輸出點，從而提高并機的輸出效率。但備用機切換過程中數(shù)據(jù)延時會引起輸出波動如圖2所示。Io1與Io2之和為并機系統(tǒng)的輸出波形(Io1為正常工作機的輸出電流，Io2為備用機的輸出電流)，t0～t2(t4～t5)為工作機的關(guān)斷響應(yīng)時間，t1～t3(t6～t7)為備用機的上升響應(yīng)時間，其中t1～t0(t6～t4)為Cm時間。當(dāng)Cm在要求范圍內(nèi)，并機系統(tǒng)可視為輸出恒定。當(dāng)Cm大到一定程度后就會出現(xiàn)系統(tǒng)輸出功率拉低的情況，此時其他電源將會承擔(dān)缺少的功率輸出，出現(xiàn)電源模塊過載情況損壞并機模塊，進而影響到并機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以網(wǎng)絡(luò)選擇要盡量減少其Cm，以避免出現(xiàn)圖2b情況或者更甚。

4 軟件設(shè)計
此處提到編碼、譯碼延時由選用的控制芯片決定。該系統(tǒng)利用RTX實時系統(tǒng)內(nèi)核，運用32位的ARM芯片進行系統(tǒng)設(shè)計和實驗。
RTX內(nèi)核是一個實時操作系統(tǒng)，可以同時運行多函數(shù)或是任務(wù)，其進程切換時間小于5μs，中斷停止時間小于1．8μs(在LPC21xx上執(zhí)行，系統(tǒng)時鐘60 MHz)。RTX采用時間片搶占模式實現(xiàn)系統(tǒng)的實時操作，可通過軟件對其時間片時間進行設(shè)置，實現(xiàn)程序流程的優(yōu)化設(shè)置，并通過任務(wù)的優(yōu)先級設(shè)置提高數(shù)據(jù)通訊的實時性。
由于備用電源的接入和故障機的退出都需要有較好的實時性來滿足整個并機輸出的穩(wěn)定性，所以采用實時操作系統(tǒng)能很好地使用系統(tǒng)周期，避免因程序等待使得系統(tǒng)在處理數(shù)據(jù)上出現(xiàn)延時，影響并機輸出的穩(wěn)定性。
4．1 均流控制算法
圖3示出均流控制算法和程序流程圖。

均流控制原理是在其原有的單環(huán)控制前加入均流控制，如圖3a所示。圖3a中，Id為系統(tǒng)初始設(shè)定輸出值，Ia=(Io1+Io2+…+Ion)／n，Ioi為第i個模塊的輸出電流，G為電源模塊的傳遞函數(shù)。均流處理環(huán)節(jié)的輸入為系統(tǒng)設(shè)定輸出與各個模塊輸出電流和的平均值的差值，通過均流處理對模塊單環(huán)輸入的額定值進行均流補償。最終實現(xiàn)模塊的穩(wěn)壓和系統(tǒng)各個模塊間的均流。
4．2 備用機控制算法
CAN總線上的數(shù)據(jù)包含均流數(shù)據(jù)、備用機啟動信號等。備用機未啟動前只接聽總線數(shù)據(jù)，并不占用網(wǎng)絡(luò)資源，當(dāng)備用機接收到啟動信號后啟動工作，并開始進行數(shù)據(jù)傳輸，故障機退出網(wǎng)絡(luò)，保證網(wǎng)絡(luò)負載不變。表1為系統(tǒng)中模塊ID的分配。

其中ID 0X01～03為正常工作用機，0X04，0X05為備用機。在4，5號機中，4號機擁有啟動優(yōu)先級，5號擁有關(guān)斷優(yōu)先級。并機網(wǎng)絡(luò)的工作模式：1～3號機正常工作并進行數(shù)據(jù)交換以實現(xiàn)并機間的數(shù)據(jù)均流，而4，5號機則處于準(zhǔn)備狀態(tài)。當(dāng)1～3號機有一臺發(fā)生故障時，故障機關(guān)閉本機工作輸出，并向備用機發(fā)送啟動命令和本機工作狀態(tài)，4，5號機接收到命令后即按優(yōu)先級啟動工作。同時，故障機發(fā)送自身ID和故障狀態(tài)給上位機，便于及時排查故障。經(jīng)過維修排除故障后，正常工作機則發(fā)送正常工作信號給備用機，備用機即刻停止工作，進入準(zhǔn)備狀態(tài)。工作模塊工作一段時間后可以與備用機進行ID對換，以提高并機系統(tǒng)的暫載率，避免機器老化引起的功率輸出不平衡。

5 實驗
5．1 均流特性實驗
采用兩臺25 kW(630 A／44 V)電鍍電源進行并機實驗，使其額定輸出達到50 kW。此實驗在固定電阻負載情況下進行測量，測量數(shù)據(jù)如表2所示。由表中數(shù)據(jù)可見系統(tǒng)的均流誤差最大為2％，滿足工業(yè)產(chǎn)品最大均流誤差不大于5％的要求。

5．2 系統(tǒng)實時性實驗
首先對單機系統(tǒng)退出和進入的實時性進行實驗。實驗數(shù)據(jù)由TDS2012B數(shù)字示波器采集，通過origin75軟件進行數(shù)據(jù)處理得到測試波形。

圖4示出模塊控制系統(tǒng)實時性和動態(tài)特性，由圖4a可見，模塊的控制動作在半個PWM周期內(nèi)完成，符合實時性要求。由圖4b和數(shù)據(jù)可得模塊的動態(tài)響應(yīng)時間約為10 ms，滿足并機設(shè)計要求。
5．3 備用機調(diào)用實時性實驗
備用機切換實驗，采用模擬故障使工作機發(fā)出故障信號，并退出并機網(wǎng)絡(luò)，備用機代替工作機輸出功率。采用高壓探頭測量電阻負載在備用機切換時的電壓波形，如圖5所示。

u1為線性負載電壓，在t0時刻出現(xiàn)輸出下降，即為出現(xiàn)故障機，t1時刻輸出恢復(fù)，所以t0～t1為由故障機到備用機的功率轉(zhuǎn)換時間，約為15 ms，符合設(shè)計要求。

6 結(jié)論
該方案采用CAN總線通訊實現(xiàn)均流信息的交換，以實現(xiàn)并機系統(tǒng)的均流設(shè)計；采用備用機算法在網(wǎng)絡(luò)最佳工作接入點的局限下提高并機系統(tǒng)的功率輸出。最后以ARM芯片為核心設(shè)計了實時并機控制系統(tǒng)，通過實驗驗證了此均流方案具有良好的均流效果，同時備用機切換具有良好的實時性，提高了系統(tǒng)并機的可靠性。