吴国忠，潘观立
浙江大学电气工程学院，
摘 要 ： 分 布 式 电 源 系 统 应 用 中 ， 并 联 开 关 变 换 器 模 块 间 需 要 采 用 均 流 措 施 ， 它 是 实 现 大 功 率 电 源 和 冗 余 电 源 的 关 键 。 主 要 讨 论 了 电 源 模 块 并 联 系 统 均 流 控 制 的 数 字 化 问 题 ， 提 出 了 基 于 CAN总 线 的 电 源 模 块 间 实 时 通 信 方 案 。
关键词： 开 关 电 源 ； 均 流 控 制 ； 数 字 化 ； 控 制 器 局 域 网
1 引 言
电 源 系 统 的 发 展 方 向 之 一 是 用 分 布 式 电 源 系 统 取 代 集 中 式 电 源 系 统 。 这 是 因 为 分 布 式 电 源 系 统 具 有 更 多 的 优 点 ， 比 如 易 于 扩 充 输 出 功 率 容 量 、 可 靠 性 高 、 使 电 源 保 持 高 的 效 率 和 较 快 的 动 态 响 应 、 可 以 实 现 标 准 化 设 计 、 便 于 维 护 等 。 但 是 外 特 性 不 同 的 电 源 模 块 并 联 工 作 时 ， 如 果 不 采 取 一 定 的 均 流 措 施 ， 每 个 模 块 的 输 出 电 流 将 出 现 分 配 不 均 的 情 况 ， 外 特 性 好 的 电 源 模 块 将 承 担 更 多 的 电 流 ， 甚 至 过 载 ， 从 而 降 低 了 可 靠 性 ； 分 担 电 流 小 的 模 块 可 能 处 在 效 率 不 高 的 工 作 状 态 。 因 此 必 须 采 取 均 流 措 施 。
同 时 分 布 式 电 源 系 统 对 两 个 技 术 提 出 了 更 高 的 要 求 ：
1） 并 联 模 块 间 的 自 动 均 流 技 术 ；
2） 模 块 的 智 能 化 技 术 。
电 源 模 块 的 数 字 化 能 够 提 高 其 可 靠 性 和 产 品 一 致 性 等 工 程 问 题 ， 并 且 有 利 于 实 现 智 能 化 ， 是 应 用 技 术 的 发 展 方 向 。
2 平 均 电 流 法
目 前 常 用 的 均 流 方 法 有 ： 输 出 阻 抗 法 、 主 从 设 置 法 、 平 均 电 流 法 、 最 大 电 流 法 、 热 应 力 自 动 均 流 法 和 采 用 均 流 控 制 器 的 方 法 等 。 为 了 提 高 电 源 系 统 的 可 靠 性 和 可 维 护 性 ， 采 用 的 均 流 方 法 最 好 有 如 下 特 点 ：
1） 单 个 模 块 的 故 障 不 影 响 整 个 系 统 的 正 常 运 行 ；
2） 模 块 之 间 自 动 实 现 均 流 ， 无 需 人 为 的 调 整 和 设 定 ， 无 需 模 块 之 外 控 制 器 的 介 入 。
考 虑 到 均 流 算 法 和 数 字 化 的 特 点 和 互 补 性 ， 本 系 统 选 用 平 均 电 流 法 。 这 种 方 法 是 将 并 联 工 作 的 每 个 模 块 电 流 值 取 平 均 后 ， 将 平 均 电 流 值 送 给 每 个 模 块 。 各 模 块 都 以 这 个 平 均 电 流 值 为 目 标 自 动 调 节 自 己 的 输 出 电 流 ， 从 而 达 到 均 流 的 目 的 。 图 1画 出 了 N个 并 联 模 块 中 一 个 模 块 按 平 均 电 流 自 动 均 流 的 控 制 电 路 原 理 图 。 并 联 各 模 块 的 电 流 放 大 器 输 出 端 ， 通 过 一 个 电 阻 R， 接 到 均 流 母 线 上 。 如 图 1所 示 ， 电 压 放 大 器 输 入 为 是 基 准 电 压 Vr和 均 流 控 制 电 压 Vc的 综 合 ， 它 与 Vf进 行 比 较 放 大 后 ， 产 生 电 压 误 差 Ve， 控 制 PWM及 驱 动 器 。 Vi为 电 流 放 大 器 的 输 出 信 号 ， 和 每 个 模 块 的 负 载 电 流 成 正 比 ， Vb为 母 线 电 压 。 当 N=2时 ， 也 就 是 两 个 模 块 并 联 运 行 状 态 下 ， Vi1和 Vi2分 别 为 模 块 1和 2的 电 流 信 号 ， 都 经 过 阻 值 为 R的 电 阻 接 到 母 线 b， 母 线 电 流 I值 计 算 如 下 ：
I=(Vi1－ Vb)/R＋ (Vi2－ Vb)/R(1)
当 母 线 电 流 I=0时 ， 由 式 (1)得
母 线 电 压 Vb是 Vi1和 Vi2的 平 均 值 。 也 代 表 了 模 块 1， 2的 输 出 电 流 平 均 值 。 代 表 均 流 误 差 的 Vi与 Vb之 差 ， 经 过 调 节 放 大 器 ， 输 出 调 整 电 压 Vc， Vc值 可 正 可 负 。 当 Vb=Vi时 ， 电 阻 R上 的 电 压 为 零 ， 调 整 电 压 Vc=0， 实 现 了 均 流 。 一 旦 模 块 间 的 电 流 分 配 不 均 匀 ， Vb≠ Vi， 电 阻 R承 受 电 压 ， 此 时 =Vr± Vc， 电 路 通 过 调 整 放 大 器 改 变 Vr′ ， 以 达 到 均 流 目 的 。
这 种 方 法 能 够 精 确 地 实 现 均 流 ， 但 是 ， 若 采 用 模 拟 方 法 实 现 时 ， 也 会 有 一 些 特 殊 问 题 ， 比 如 当 均 流 母 线 发 生 短 路 ， 或 接 在 母 线 上 的 任 何 一 个 模 块 不 能 工 作 时 ， 均 流 母 线 电 压 下 降 ， 将 促 使 各 模 块 电 压 下 调 ， 甚 至 达 到 下 限 ， 造 成 故 障 。 若 采 用 数 字 方 法 实 现 ， 用 通 信 的 方 法 获 得 所 有 并 联 模 块 的 平 均 电 流 值 ， 再 用 这 个 平 均 电 流 值 与 模 块 电 流 值 比 较 ， 比 较 的 结 果 用 来 补 偿 电 压 基 准 ， 则 可 防 止 上 述 情 况 的 出 现 。 采 用 数 字 方 式 实 现 这 种 方 法 能 够 扬 长 避 短 ， 具 有 很 大 优 越 性 。
3 数 字 均 流 控 制 的 实 现
采 用 数 字 方 式 实 现 均 流 控 制 具 有 控 制 方 法 灵 活 的 特 点 ， 很 容 易 做 到 单 个 模 块 故 障 时 不 影 响 与 其 并 联 的 其 它 模 块 的 正 常 运 行 。 而 要 实 现 模 块 之 间 的 自 动 均 流 ， 则 模 块 之 间 的 数 据 交 换 是 必 需 的 功 能 。 采 用 数 字 方 式 ， 则 这 种 交 换 数 据 的 简 单 形 式 一 般 就 是 通 信 。 因 此 ， 模 块 之 间 的 通 信 技 术 是 实 现 数 字 均 流 的 关 键 技 术 。 采 用 何 种 通 信 方 式 、 制 订 怎 样 的 通 信 协 议 ， 既 能 够 实 现 数 据 的 可 靠 和 高 速 交 换 又 能 使 通 信 接 口 简 单 ， 便 是 数 字 均 流 技 术 首 先 要 研 究 的 内 容 。
许 多 单 片 机 （ 包 括 DSP控 制 器 ） 都 有 内 置 通 信 模 块 。 选 用 这 些 单 片 机 片 内 的 通 信 模 块 实 现 数 据 通 信 ， 无 论 对 于 增 加 可 靠 性 ， 还 是 简 化 软 硬 件 设 计 都 有 很 大 的 帮 助 。 TMS320X241 DSP控 制 器 具 有 较 高 的 A/D转 换 速 率 、 较 小 的 封 装 ， 并 且 带 有 CAN模 块 。 可 作 为 主 电 路 的 控 制 核 心 。
CAN属 总 线 式 串 行 通 信 网 络 ， 与 一 般 的 通 信 总 线 相 比 ， CAN总 线 的 数 据 通 信 具 有 突 出 的 可 靠 性 、 实 时 性 和 灵 活 性 。 由 于 CAN具 有 以 上 一 些 特 点 ， 对 于 100ms级 响 应 时 间 的 均 流 控 制 来 说 ， 能 够 满 足 其 实 时 通 信 的 要 求 。 通 过 CAN， 我 们 能 够 实 现 并 联 工 作 的 各 电 源 模 块 之 间 的 数 据 通 信 ， 而 且 硬 件 接 口 简 单 ， 图 2为 CAN控 制 器 与 物 理 总 线 之 间 的 接 口 电 路 82C250的 功 能 框 图 。 82C250能 够 提 供 对 总 线 的 差 动 接 收 和 发 送 功 能 ， 以 实 现 总 线 上 各 节 点 间 的 电 气 隔 离 ， 最 高 通 信 速 率 达 1Mbps。
4 CAN的 协 议 模 型 和 自 定 义 的 高 层 协 议
上 面 的 硬 件 实 现 方 案 中 ， CAN只 采 用 了 OSI参 考 模 型 的 两 层 协 议 — — 物 理 层 和 数 据 链 路 层 ， 它 仅 实 现 了 节 点 间 无 差 错 的 数 据 传 输 。 因 此 ， 其 它 层 的 协 议 需 要 我 们 自 己 定 义 。
以 下 是 针 对 开 关 电 源 并 联 系 统 的 数 字 均 流 控 制 制 订 的 部 分 高 层 协 议 ：
1） 允 许 参 加 并 机 的 模 块 总 数 不 超 过 8个 ， 每 个 模 块 拥 有 1个 3位 的 地 址 编 码 ， 模 块 的 地 址 编 码 不 允 许 重 复 。
2） 每 个 模 块 都 以 自 身 的 地 址 码 作 为 发 送 数 据 的 优 先 级 。
3） 模 块 向 外 发 送 数 据 帧 时 ， 应 包 含 自 身 的 地 址 码 信 息 。
4） 所 有 的 数 据 都 以 广 播 形 式 向 总 线 发 送 ， 同 时 回 收 自 己 发 送 的 数 据 ， 若 发 现 发 送 和 回 收 的 数 据 不 符 ， 则 立 即 重 发 。
5） 对 每 个 模 块 而 言 ， 上 电 后 1s内 若 未 接 收 到 任 何 通 信 信 息 ， 则 在 1s计 时 结 束 后 ， 延 时 发 送 自 身 的 地 址 码 及 电 流 采 样 值 （ 可 能 为 零 ） 。 这 个 延时 发 送 时 间 （ tdelay） 的 计 算 公 式 为
tdelay=T1× MADDR （ 3）
式 中 ： T1为 单 位 延 时 时 间 常 数 ， 该 值 可 以 根据通 信 速 率 合 理 定 义 ；
MADDR为 模 块 自 身 地 址 编 码 。
6） 从 模 块 上 电 后 第 一 次 接 收 到 通 信 信 息 （ 可 能 为 自 身 发 送 的 信 息 ） 起 ， 每 隔 40ms向 外 发 送 自 身 地 址 码 和 电 流 采 样 值 。 如 发 生 冲 突 ， CAN会 根 据 每 个 模 块 信 息 的 优 先 级 自 动 调 整 发 送 顺 序 。 由 于 每 个 模 块 发 送 信 息 的 优 先 级 都 不 相 同 ， 因 此 它 们 会 自 动 按 一 定 的 次 序 发 送 出 去 。
7） 每 个 模 块 在 自 身 发 送 信 息 10ms之 后 ， 计 算 出 并 联 工 作 的 模 块 总 数 ， 并 求 出 所 有 采 样 电 流 的 平 均 值 ， 通 知 模 块 的 控 制 环 节 。 由 于 CAN高 速 的 通 信 能 力 和 极 低 的 出 错 率 ， 10ms之 内 所 有 的 模 块 都 能 将 电 流 采 样 值 发 送 出 去 让 每 个 模 块 接 收 到 。
8） 模 块 检 测 到 自 身 出 现 故 障 时 ， 应 及 时 切 断 输 出 ， 并 退 出 通 信 。
结 合 上 面 制 订 的 高 层 的 通 信 协 议 和 平 均 电 流 均 流 算 法 ， 模 块 之 间 传 输 数 据 类 型 和 数 量 ， 模 块 内 部 对 这 些 数 据 的 处 理 方 法 都 可 以 得 到 解 决 。
5 结 语
平 均 电 流 法 可 实 现 精 确 的 均 流 控 制 ， 上 述 数 字 均 流 技 术 已 成 功 地 应 用 在 开 关 电 源 并 联 系 统 中 。 实 践 表 明 ， 在 满 足 输 出 电 压 要 求 的 同 时 也 达 到 了 很 好 的 均 流 精 度 ， 提 高 了 电 源 系 统 的 可 靠 性 和 容 错 能 力 。 采 用 数 字 方 法 实 现 均 流 能 够 避 免 模 块 发 生 故 障 时 影 响 整 个 系 统 工 作 的 现 象 ， 扬 长 避 短 ， 具 有 很 大 的 优 势 。
参 考 文 献
[1] TMS320C24X DSP Controllers[M].TEXAS INSTRUMENTS,1997.
[2] 阳 宪 惠 .现 场 总 线 技 术 及 其 应 用 [M].北 京 ： 清 华 大 学 出 版 社 ，1999.
[3] 张 占 松 ,蔡 宣 三 .开 关 电 源 的 原 理 与 设 计 [M].北 京 ： 电 子 工 业出 版 社 ， 1998.
摘自 北极星电技术网
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