全數(shù)字化特種電源實時并機(jī)系統(tǒng)研究

摘要：在分析數(shù)字化并機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(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(qiáng)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(jī)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(jī)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(jī)系統(tǒng)，并在兩臺25 kW的特種電源樣機(jī)上進(jìn)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(jī)均流控制成為并機(jī)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(qiáng)，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(jī)控制方式。
隨著并機(jī)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(qiáng)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?fù)浣Y(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(fù)載一定的情況下利用備用機(jī)提高并機(jī)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(jī)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(jī)方案
2．1 并機(jī)均流方案
并機(jī)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(jìn)行比較，通過均流處理得出補(bǔ)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(jī)，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?fù)涞倪x擇
常用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆协h(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、菊花鏈網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒖偩€式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚哂薪Y(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(kuò)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?fù)浣Y(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(kuò)展性。由于其結(jié)構(gòu)是點對點信息發(fā)送模式，所以到達(dá)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?fù)涫且稽c對多點的廣播模式，具有結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)點可擴(kuò)展性好，支持熱拔插等優(yōu)點。在開關(guān)電源并機(jī)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(dá)到1 Mbps，并且抗干擾能力強(qiáng)，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(xiàn)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?fù)湎虏C(jī)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(jī)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(jìn)行分析。CAN總線在標(biāo)準(zhǔn)幀(擴(kuò)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(jī)實時性要求。
在基于總線結(jié)構(gòu)的N+n(N，n為工作機(jī)、冗余機(jī)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(jī)時，故障機(jī)抽離，其他工作機(jī)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(jī)實時占用網(wǎng)絡(luò)，在進(jìn)行并機(jī)擴(kuò)展中可能會因為網(wǎng)絡(luò)資源負(fù)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(jī)出現(xiàn)則使用備用機(jī)代替其輸出，而且備用機(jī)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(jī)的信號具有網(wǎng)絡(luò)占用優(yōu)先級，以保證備用機(jī)迅速啟動。并機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

加入備用機(jī)算法可在提高并機(jī)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(jī)的輸出效率。但備用機(jī)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(jī)系統(tǒng)的輸出波形(Io1為正常工作機(jī)的輸出電流，Io2為備用機(jī)的輸出電流)，t0～t2(t4～t5)為工作機(jī)的關(guān)斷響應(yīng)時間，t1～t3(t6～t7)為備用機(jī)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(jī)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(jī)模塊，進(jìn)而影響到并機(jī)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(yùn)用32位的ARM芯片進(jìn)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(yùn)行多函數(shù)或是任務(wù)，其進(jìn)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(jìn)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(jī)的退出都需要有較好的實時性來滿足整個并機(jī)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(jī)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(jìn)行均流補(bǔ)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(jī)控制算法
CAN總線上的數(shù)據(jù)包含均流數(shù)據(jù)、備用機(jī)啟動信號等。備用機(jī)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(jī)接收到啟動信號后啟動工作，并開始進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，故障機(jī)退出網(wǎng)絡(luò)，保證網(wǎng)絡(luò)負(fù)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(jī)，0X04，0X05為備用機(jī)。在4，5號機(jī)中，4號機(jī)擁有啟動優(yōu)先級，5號擁有關(guān)斷優(yōu)先級。并機(jī)網(wǎng)絡(luò)的工作模式：1～3號機(jī)正常工作并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換以實現(xiàn)并機(jī)間的數(shù)據(jù)均流，而4，5號機(jī)則處于準(zhǔn)備狀態(tài)。當(dāng)1～3號機(jī)有一臺發(fā)生故障時，故障機(jī)關(guān)閉本機(jī)工作輸出，并向備用機(jī)發(fā)送啟動命令和本機(jī)工作狀態(tài)，4，5號機(jī)接收到命令后即按優(yōu)先級啟動工作。同時，故障機(jī)發(fā)送自身ID和故障狀態(tài)給上位機(jī)，便于及時排查故障。經(jīng)過維修排除故障后，正常工作機(jī)則發(fā)送正常工作信號給備用機(jī)，備用機(jī)即刻停止工作，進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。工作模塊工作一段時間后可以與備用機(jī)進(jìn)行ID對換，以提高并機(jī)系統(tǒng)的暫載率，避免機(jī)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(jìn)行并機(jī)實驗，使其額定輸出達(dá)到50 kW。此實驗在固定電阻負(fù)載情況下進(jìn)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(jī)系統(tǒng)退出和進(jìn)入的實時性進(jìn)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(jìn)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(jī)設(shè)計要求。
5．3 備用機(jī)調(diào)用實時性實驗
備用機(jī)切換實驗，采用模擬故障使工作機(jī)發(fā)出故障信號，并退出并機(jī)網(wǎng)絡(luò)，備用機(jī)代替工作機(jī)輸出功率。采用高壓探頭測量電阻負(fù)載在備用機(jī)切換時的電壓波形，如圖5所示。

u1為線性負(fù)載電壓，在t0時刻出現(xiàn)輸出下降，即為出現(xiàn)故障機(jī)，t1時刻輸出恢復(fù)，所以t0～t1為由故障機(jī)到備用機(jī)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(jī)系統(tǒng)的均流設(shè)計；采用備用機(jī)算法在網(wǎng)絡(luò)最佳工作接入點的局限下提高并機(jī)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(jī)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(jī)切換具有良好的實時性，提高了系統(tǒng)并機(jī)的可靠性。