全数字化特种电源实时并机系统研究

摘要：在分析数字化并机网络拓扑结构及CAN总线延时的基础上，针对特种电源需要均流精度高，信号抗干扰强等特点设计了基于CAN总线结构的全数字化实时并机控制系统。采用实时操作系统提高了系统的数据处理能力，并在网络利用率最大化前提下，通过加入备用机控制算法，提高系统的稳定性和输出功率的上限。最后，采用ARM芯片设计了数字化实时并机系统，并在两台25 kW的特种电源样机上进行了均流特性和实时性实验，实验结果验证了该系统的可行性。
关键词：特种电源；均流；实时性

1 引言
数字化电源在中大功率开关电源中应用广泛，通过数字通信技术实现并机均流控制成为并机技术研究发展的方向之一。数字通信结构简单，节点独立性强，便于实现复杂的控制算法，在此基础上衍生出许多并机控制方式。
随着并机功率的不断增加，网络资源利用率引起的系统延时问题也得到人们的关注。针对特种电源的工作性质，例如需要在高温、强电磁干扰、震动、磨损等工况下工作时间长等，其控制系统需要有较高的稳定性，数据通讯网络需要有较高的安全性和实时性。
这里对比了不同的网络拓扑结构，分析了CAN总线数据传输的实时性，在网络资源负载一定的情况下利用备用机提高并机系统的功率输出。最后，以集成有CAN总线的ARM芯片为核心，设计了针对特种电源的实时并机控制系统。该系统采用多任务实时系统结构，提高系统处理速度，并且设计实验验证了系统的均流特性和数据传输的实时性。

2 特种电源的数字化并机方案
2．1 并机均流方案
并机均流方案可分为输出阻抗法、主从控制法、平均电流自动均流法、最大电流自动均流法和外控制器法等。数字控制与数字通信的特点可以很好地实现平均电流法。
平均电流法是通过均流母线获得系统的平均电流，并与模块电流进行比较，通过均流处理得出补偿电流基准，能够精确实现均流的方法。但是模拟的均流母线上若出现短路或者不工作机，那么母线上电压将会下降到下限，引起故障。通过数字通信技术获得各个模块的电流，可有效地避免上述情况的产生。
2．2 网络拓扑的选择
常用的网络拓扑有环形网络拓扑、菊花链网络拓扑、总线式网络拓扑。环形网络拓扑具有结构简单，传输速度快等优点，但其数据要通过每个节点并沿着固定方向传输，若出现一个节点不工作将会使系统崩溃，而且其结构固定、可扩展性差。
菊花链式为相邻两个节点间数据相互交换的网络拓扑结构，这样可避免环形链中一个节点故障而引起的系统崩溃，并且具有较好的扩展性。由于其结构是点对点信息发送模式，所以到达主节点的信息就存在着不同的延时。因此，为保证数据的实时性，传输介质需要有较大带宽容量。
总线式网络拓扑是一点对多点的广播模式，具有结构简单，节点可扩展性好，支持热拔插等优点。在开关电源并机技术中采用较多的是CAN总线技术，其传输速度快，最高可以达到1 Mbps，并且抗干扰能力强，符合特种电源的工作要求。

3 CAN总线延时分析
上述CAN总线的优点可很好地满足平均电流法毫秒级的动态响应时间和特种电源对数据实时性和安全性的要求。根据文献中提供的方法可估算网络通道容量。假定控制算法中仅需每个模块的电压和电流，并且每个数据帧发送的帧头数据位为50％，则通道容量可近似为：
C=Nnnnbfos(1+50％) (1)
式中：N为每个节点需要传输的变量个数；nn为系统节点数；nb为每个字长的位数；fos为系统开关频率。
根据式(1)得出网络拓扑下并机个数的上限。CAN总线延时为：
Td=Td0／(1-D) (2)
式中：Td0为网络空闲时的有效延时；D为网络占用率，0≤D≤1。
根据式(2)可知，CAN总线并机不能盲目添加节点，当D=1时，总线延时无穷大。CAN总线延时由报文编码、仲裁延时、传输延时和报文译码组成。其中报文编译码是由控制芯片处理速度和报文结构选择决定，随着数字芯片的不断升级，此延时可忽略不计。因此，CAN延时主要由仲裁延时Tm和传输延时Cm决定。其中Cm的计算式为：
Cm={8N+44(64)+[8N+34(54)-1]／5)／S (3)
式中：N为报文中包含的数据个数：S为总线设定的波特率。
对于Tm则要根据总线状态与高优先级竞争总线的关系决定，此处假设Tm一定，对Cm进行分析。CAN总线在标准帧(扩展帧)Cm的计算公式，即数据从占用网络到释放网络所需要的时间，如式(3)所示。由式(3)知，当S=500 Kbps时，Cm为微秒级，满足并机实时性要求。
在基于总线结构的N+n(N，n为工作机、冗余机个数)并联冗余技术中每个模块工作在N／(N+n)的额定功率上，当系统中出现故障机时，故障机抽离，其他工作机平分多出的功率以实现输出功率恒定。此模式需要所用工作机实时占用网络，在进行并机扩展中可能会因为网络资源负担引起不必要的延时。而且在N较小时，模块处于低功率输出，此时输出效率较低。这里选用备用模块概念，提高正常工作模块的输出功率，减少其冗余的功率，如果故障机出现则使用备用机代替其输出，而且备用机在未触发启动时在总线中只做接听模块，并不占用网络资源。此外启动备用机的信号具有网络占用优先级，以保证备用机迅速启动。并机网络拓扑结构如图1所示。

加入备用机算法可在提高并机模块功率输出的同时无需考虑模块的冗余问题，使得模块可以在较好的功率输出点，从而提高并机的输出效率。但备用机切换过程中数据延时会引起输出波动如图2所示。Io1与Io2之和为并机系统的输出波形(Io1为正常工作机的输出电流，Io2为备用机的输出电流)，t0～t2(t4～t5)为工作机的关断响应时间，t1～t3(t6～t7)为备用机的上升响应时间，其中t1～t0(t6～t4)为Cm时间。当Cm在要求范围内，并机系统可视为输出恒定。当Cm大到一定程度后就会出现系统输出功率拉低的情况，此时其他电源将会承担缺少的功率输出，出现电源模块过载情况损坏并机模块，进而影响到并机系统的稳定性。所以网络选择要尽量减少其Cm，以避免出现图2b情况或者更甚。

4 软件设计
此处提到编码、译码延时由选用的控制芯片决定。该系统利用RTX实时系统内核，运用32位的ARM芯片进行系统设计和实验。
RTX内核是一个实时操作系统，可以同时运行多函数或是任务，其进程切换时间小于5μs，中断停止时间小于1．8μs(在LPC21xx上执行，系统时钟60 MHz)。RTX采用时间片抢占模式实现系统的实时操作，可通过软件对其时间片时间进行设置，实现程序流程的优化设置，并通过任务的优先级设置提高数据通讯的实时性。
由于备用电源的接入和故障机的退出都需要有较好的实时性来满足整个并机输出的稳定性，所以采用实时操作系统能很好地使用系统周期，避免因程序等待使得系统在处理数据上出现延时，影响并机输出的稳定性。
4．1 均流控制算法
图3示出均流控制算法和程序流程图。

均流控制原理是在其原有的单环控制前加入均流控制，如图3a所示。图3a中，Id为系统初始设定输出值，Ia=(Io1+Io2+…+Ion)／n，Ioi为第i个模块的输出电流，G为电源模块的传递函数。均流处理环节的输入为系统设定输出与各个模块输出电流和的平均值的差值，通过均流处理对模块单环输入的额定值进行均流补偿。最终实现模块的稳压和系统各个模块间的均流。
4．2 备用机控制算法
CAN总线上的数据包含均流数据、备用机启动信号等。备用机未启动前只接听总线数据，并不占用网络资源，当备用机接收到启动信号后启动工作，并开始进行数据传输，故障机退出网络，保证网络负载不变。表1为系统中模块ID的分配。

其中ID 0X01～03为正常工作用机，0X04，0X05为备用机。在4，5号机中，4号机拥有启动优先级，5号拥有关断优先级。并机网络的工作模式：1～3号机正常工作并进行数据交换以实现并机间的数据均流，而4，5号机则处于准备状态。当1～3号机有一台发生故障时，故障机关闭本机工作输出，并向备用机发送启动命令和本机工作状态，4，5号机接收到命令后即按优先级启动工作。同时，故障机发送自身ID和故障状态给上位机，便于及时排查故障。经过维修排除故障后，正常工作机则发送正常工作信号给备用机，备用机即刻停止工作，进入准备状态。工作模块工作一段时间后可以与备用机进行ID对换，以提高并机系统的暂载率，避免机器老化引起的功率输出不平衡。

5 实验
5．1 均流特性实验
采用两台25 kW(630 A／44 V)电镀电源进行并机实验，使其额定输出达到50 kW。此实验在固定电阻负载情况下进行测量，测量数据如表2所示。由表中数据可见系统的均流误差最大为2％，满足工业产品最大均流误差不大于5％的要求。

5．2 系统实时性实验
首先对单机系统退出和进入的实时性进行实验。实验数据由TDS2012B数字示波器采集，通过origin75软件进行数据处理得到测试波形。

图4示出模块控制系统实时性和动态特性，由图4a可见，模块的控制动作在半个PWM周期内完成，符合实时性要求。由图4b和数据可得模块的动态响应时间约为10 ms，满足并机设计要求。
5．3 备用机调用实时性实验
备用机切换实验，采用模拟故障使工作机发出故障信号，并退出并机网络，备用机代替工作机输出功率。采用高压探头测量电阻负载在备用机切换时的电压波形，如图5所示。

u1为线性负载电压，在t0时刻出现输出下降，即为出现故障机，t1时刻输出恢复，所以t0～t1为由故障机到备用机的功率转换时间，约为15 ms，符合设计要求。

6 结论
该方案采用CAN总线通讯实现均流信息的交换，以实现并机系统的均流设计；采用备用机算法在网络最佳工作接入点的局限下提高并机系统的功率输出。最后以ARM芯片为核心设计了实时并机控制系统，通过实验验证了此均流方案具有良好的均流效果，同时备用机切换具有良好的实时性，提高了系统并机的可靠性。