一种电化学直流电源同频异相并联控制系统及其控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种电化学直流电源同频异相并联控制系统及其控制方法，直流电源同频异相并联控制系统包括监控系统和N个直流电源模块，N≥2；所述监控系统包括DSP控制电路、串行通信电路、人机交互设备、N个同频异相控制及故障传递电路、输出反馈电路；所述DSP控制电路分别与串行通信电路、人机交互设备、N个同频异相控制及故障传递电路、输出反馈电路连接。本发明的一种电化学直流电源同频异相并联控制系统可根据需要实现电源的恒压、恒流或恒功率功能，具有工艺简单、布线极少、利于检修等优点；其控制方法采用数字化控制，操作简单，控制可靠，动态性能佳，可直接应用于数字化直流电源并联系统中。
【专利说明】一种电化学直流电源同频异相并联控制系统及其控制方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及工业用大功率直流开关电源，具体涉及一种电化学直流电源同频异步并联控制系统及其控制方法。
【背景技术】
[0002]目前，在许多行业各种大功率电源的需求日益增加，尤其是一些大功率直流电源的需求。但是，直流电源模块容量有限，常采用多直流电源模块并联运行，其输出能量是模块输出的数倍，提高了系统的功率等级，同时多直流电源模块并联工作使系统具有一定的冗余度，单个模块故障不会影响这个系统的正常工作，使整个系统的可靠性有了很大提高。多直流电源模块并联运行不仅使直流电源具有更大的功率和可靠性，而且还具有良好的通用性，可以根据需要灵活组合成各种功率的系统。不过目前多直流电源模块并联运行大多采用恒流硬并联工作模式，难以实现直流电源模块的有序工作，输出无序，致使输出波形叠加，输出电压或者电流尖峰较高，难以满足精密加工需求，并且对电网产生较大干扰。
【发明内容】
[0003]为了解决现行大功率直流电源并联工作的问题，提出了一种电化学直流电源同频异相并联控制系统及其控制方法。本发明的一种电化学直流电源同频异相并联控制系统可根据需要实现多直流电源模块的同频异相有序工作，真实控制并联的输出波形，快速实现系统的恒压、恒流或者恒功率控制；具有工艺简单、布线极少、利于检修等优点；其控制方法采用数字化控制，操作简单，控制可靠，在恒电压模式时系统动态性能大大提高，可直接应用于数字化直流电源 并联系统中。
[0004]本发明是通过下述方案予以实现的:
一种电化学直流电源同频异相并联控制系统，包括监控系统和N个直流电源模块，N ^ 2 ;所述监控系统包括DSP控制电路、串行通信电路、人机交互设备、N个同频异相控制及故障传递电路、输出反馈电路；所述DSP控制电路分别与串行通信电路、人机交互设备、N个同频异相控制及故障传递电路、输出反馈电路连接；所述串行通信电路用于传递直流电源模块上电命令及反馈N个直流电源模块的初始注册信息；所述人机交互设备用于设置和显示N个直流电源模块并联输出参数；所述N个同频异相控制及故障传递电路在每个直流电源模块的PWM控制周期给每个直流电源模块传递间隔均匀的同频异相信号，并传递直流电源模块的故障信号；所述输出反馈电路用来反馈N个直流电源模块的电流总输出及电压输出。
[0005]所述每个直流电源模块包括主功率电路、控制电路、串行通信接口单元、输出反馈电路、同频异相接收及故障传递电路；所述控制电路分别与主功率电路、串行通信接口单元、输出反馈电路、同频异相接收及故障传递电路连接；主功率电路包括顺次连接的三相整流滤波电路、高频逆变电路和输出整流滤波电路，三相整流滤波电路输入端与三相电源连接，输出整流滤波电路输出端与负载连接；输出反馈电路与输出整流滤波电路连接。[0006]所述直流电源模块中的控制电路包含DSP芯片，该DSP芯片具有PWM同步信号输入引脚，该PWM同步信号输入引脚通过光耦连接到监控系统的N个同频异相控制及故障传递电路。
[0007]所述监控系统的串行通信电路包括CAN通讯电路；CAN通讯电路与各直流电源模块串行连接，用来传输上电命令及N个直流电源模块的初始注册信息。
[0008]所述监控系统的DSP控制电路用于向N个同频异相控制及故障传递电路发出同频异步信号，处理N个同频异相控制及故障传递电路传送的故障信息，并控制每个直流电源模块的输出，通过PID控制实现恒流、恒压或恒功率控制，DSP可采用TI2000系列，其具有16路模拟信号输入可以满足多路电源模块的电流信号反馈；并具有12-16路P丽信号输出，可以方便的实现异步信号输出。
[0009]所述监控系统的每个同频异相控制及故障传递电路对应一个直流电源模块，每个同频异相控制及故障传递电路包括:7个电阻(Rl-R7)，4个光耦(0P1-0P4)，4个信号端(SN1-SN4)，其光耦可以优选高速光耦，例如6N137及6N136。其元器件连接关系如图3所示:第一电源VCCl经第一电阻Rl与第一光稱OPl的阳极I相连，第一光稱OPl的阴极2与第一信号端SNl相连，第一信号端SNl连接到监控系统01的DSP控制电路；第一电源VCCl经第三电阻R3与第二光耦0P2的集电极相连，同时第二光耦0P2的集电极与第四信号端SM相连，第四信号端SM连接到监控系统01的DSP控制电路，第二光耦0P2的发射极8与第一接地GNDl相连。第二电源VCC2经第二电阻R2与第一光耦OPl的集电极3相连，第一光耦OPl的发射极4与第三光耦0P3的集电极11相连，第三光耦0P3的发射极12分别与第二光耦0P2的阳极7、第四光耦0P4的阳极13相连，第二光耦0P2的阴极6经第四电阻R4与第二接地GND2相连，第四光耦0P4的阴极14经第五电阻R5与第二接地GND2相连。第三光耦0P3的阳极9与第三信号端SN3相连，第三信号端SN3连接到直流电源模块的控制电路04，第三光耦0P3的阴极10经第六电阻R6与第二接地GND2相连，第二电源VCC2经第七电阻R7与第四光耦0P4的集电极15相连，同时第四光耦0P4的集电极15与第二信号端SN2相连，第二信号端SN2连接到直流电源模块的控制电路02，第四光耦0P4的发射极16与第二接地GND2相连。
[0010]所述监控系统的输出反馈电路由输出电流反馈电路及输出电压反馈电路组成，用于并联输出控制。
[0011]所述的一种电化学直流电源同频异相并联控制系统，其整体控制方法是:所述监控系统的DSP控制电路通过串行通信电路发出上电命令，N个直流电源模块收到该上电命令后，自检无故障则启动直流电源模块的同步信号接收电路，并回传初始注册信息到串行通信电路，所述监控系统的DSP控制电路根据在线无故障直流电源模块的数量，通过N个同频异相控制及故障传递电路均匀发送同频异相信号到每个直流电源模块，启动每个直流电源模块的PWM工作，使工作的直流电源模块的PWM周期处于异步状态，并通过监测到的脉冲信号判断验证直流电源模块的状态；在启动工作后，通过监控系统的DSP控制电路采样输出反馈电路的电压及电流信号，DSP控制电路将给定的电压及电流与实际输出的电压及电流做PID运算，控制每个直流电源模块的输出，从而使得系统实现恒流、恒压或者恒功率控制。系统控制周期由监控系统的DSP控制电路的模拟信号采集速度及串行通信电路的CAN总线传递的命令的速度决定，优选的TI2000系列的DSP芯片采集速度达到IOM0 CAN通讯速度达到1M，综合考虑系统的控制频率可以达到IOKHz以上，基本满足现在工业应用场合要求。
[0012]所述的一种电化学直流电源同频异相并联控制系统的控制方法，其发送同频异相信号及传递故障信号的方法在于:N个同频异相控制及故障传递电路用于传递同频异相控制信号给对应的直流电源模块并反馈直流电源模块的故障信号。当直流电源模块上电自检无故障后，直流电源模块的控制电路会将第三信号端SN3置高电平，第三光耦0P3导通，第二光耦0P2的阳极5及第四光耦0P4的阳极13会置高电平，第二光耦0P2和第四光耦0P4导通，当第一信号端SNl接收到监控系统的DSP控制电路发出的同频异相信号时，此时第一信号端SNl的电平变化,会通过第一光稱OPl和第二光稱OP2的传输，在第二信号端SN2引起相同的电平变化，同时通过第一光耦OPl和第四光耦0P4的传输，在第四信号端SM也会引起相同的电平变化，第四信号端SM将此电平信号传递到直流电源模块的控制电路，实现了直流电源模块的同频异步控制。当直流电源模块故障时，直流电源模块的控制电路会将第三信号端SN3置低电平或悬空，此时第三光耦0P3不导通，第一信号端SNl的电平变化时，不能引起第二信号端SNl及第四信号端SM的电平变化。当工作时，若从第四信号端SM监测到与第一信号端SNl相同的电平信号时，则表示直流电源模块接受到正确的同频异相信号，若监测到不同的电平信号时，则表不相应的直流电源模块处于不正常工作模式，即故障状态，第四信号端SM会立即反馈给监控系统的DSP控制电路处理。
[0013]相对于现在的多模块并联直流电源及其控制方法，本发明的有益效果是:
1、很好地解决了电化学行业多模块并联直流电源的无序控制模式。
[0014]2、多模块并联直流电源采用串行通信，工艺简单，连接线少，便于生产检修。
[0015]3、控制方法简单可靠，系统控制周期极短，动态性能大大提高，可直接应用于数字化直流电源并联系统中。
[0016]4、采用同频异相控制方法，精细化控制并联电源输出波形，并减少大功率直流电源并联对网电的污染。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是实施方式中的一种电化学直流电源同频异相并联控制系统结构框图。
[0018]图2是实施方式中的直流电源模块结构示意图。
[0019]图3是实施方式中的一个同频异相控制及故障传递电路示意图。
【具体实施方式】
[0020]以下结合附图具体实施对本发明做进一步说明，但本发明的实施不限于此。
[0021] 如图1所示，为实施方式中的一种电化学直流电源同频异相并联控制系统结构框图，该电化学直流电源同频异相并联控制系统包括监控系统01和N个直流电源模块02，N ^ 2 ;所述监控系统01包括DSP控制电路、串行通信电路、人机交互设备、N个同频异相控制及故障传递电路、输出反馈电路；所述DSP控制电路分别与串行通信电路、人机交互设备、N个同频异相控制及故障传递电路、输出反馈电路连接；所述串行通信电路用于传递N个直流电源模块02上电命令及反馈N个直流电源模块02的初始注册信息；所述人机交互设备用于设置和显示N个直流电源模块02并联输出参数；所述N个同频异相控制及故障传递电路在每个直流电源模块的PWM控制周期给每个直流电源模块传递间隔均匀的同频异相信号，并传递直流电源模块的故障信号；所述输出反馈电路用来反馈N个直流电源模块02的电流总输出及电压输出。
[0022]如图2所示，为实施方式中的直流电源模块结构示意图，直流电源模块02包括主功率电路03、控制电路04、输出反馈电路05、串行通信接口单元06、同频异相接收及故障传递电路07 ;所述控制电路04分别与主功率电路03、串行通信接口单元06、输出反馈电路
05、同频异相接收及故障传递电路07连接；主功率电路03包括顺次连接的三相整流滤波电路、高频逆变电路和输出整流滤波电路，三相整流滤波电路输入端与三相电源连接，输出整流滤波电路输出端与负载连接；输出反馈电路05与输出整流滤波电路连接。
[0023]所述直流电源模块03中的控制电路包含DSP芯片，该DSP芯片具有PWM同步信号输入引脚，该PWM同步信号输入引脚通过光耦连接到监控系统01的N个同频异相控制及故障传递电路。
[0024]所述监控系统01的串行通信电路包括CAN通讯电路；CAN通讯电路与各直流电源模块串行连接，用来传输上电命令及N个直流电源模块的初始注册信息。
[0025]所述监控系统01的DSP控制电路用于向N个同频异相控制及故障传递电路发出同频异步信号，处理N个同频异相控制及故障传递电路传送的故障信息，并控制每个直流电源模块的输出，通过PID控制实现恒流、恒压或恒功率控制，DSP可采用TI2000系列，其具有16路模拟信号输入可以满足多路电源模块的电流信号反馈；并具有12-16路PWM信号输出，可以方便的实现异步信号输出。
[0026]如图3所示，为实施方式中的一个同频异相控制及故障传递电路示意图。一个同频异相控制及故障传递电路对应一个直流电源模块，每个同频异相控制及故障传递电路包括::7个电阻(Rl-R7)，4个光耦(0P1-0P4)，4个信号端(SN1-SN4)，其光耦可以优选高速光耦，例如6N137及6N136。其元器件连接关系为:第一电源VCCl经第一电阻Rl与第一光率禹OPl的阳极I相连，第一光稱OPl的阴极2与第一信号端SNl相连,第一信号端SNl连接到监控系统01的DSP控制电路；第一电源VCCl经第三电阻R3与第二光耦0P2的集电极7相连，同时第二光耦0P2的集电极7与第四信号端SM相连，第四信号端SM连接到监控系统01的DSP控制电路，第二光耦0P2的发射极8与第一接地GNDl相连。第二电源VCC2经第二电阻R2与第一光耦OPl的集电极3相连，第一光耦OPl的发射极4与第三光耦0P3的集电极11相连，第三光耦0P3的发射极12分别与第二光耦0P2的阳极7、第四光耦0P4的阳极13相连，第二光耦0P2的阴极6经第四电阻R4与第二接地GND2相连，第四光耦0P4的阴极14经第五电阻R5与第二接地GND2相连。第三光耦0P3的阳极9与第三信号端SN3相连，第三信号端SN3连接到直流电源模块的控制电路04，第三光耦0P3的阴极10经第六电阻R6与第二接地GND2相连，第二电源VCC2经第七电阻R7与第四光耦0P4的集电极15相连，同时第四光耦0P4的集电极15与第二信号端SN2相连，第二信号端SN2连接到直流电源模块的控制电路02，第四光耦0P4的发射极16与第二接地GND2相连。
[0027]所述监控系统01的输出反馈电路由输出电流反馈电路及输出电压反馈电路组成，用于并联输出控制。
[0028]所述的一种电化学直流电源同频异相并联控制系统，其整体控制方法是:所述监控系统的OlDSP控制电路通过串行通信电路发出上电命令，N个直流电源模块02收到该上电命令后，自检无故障则启动直流电源模块的同步信号接收电路，并回传初始注册信息到串行通信电路，所述监控系统Ol的DSP控制电路根据在线无故障直流电源模块的数量，通过N个同频异相控制及故障传递电路均匀发送同频异相信号到每个直流电源模块，启动每个直流电源模块的PWM工作，使工作的直流电源模块的PWM周期处于异步状态(假如系统的逆变频率是20KHz，即周期是50us，如果在线的直流电流模块是3个，那么同步信号脉冲的间隔伟50us/3)，并通过监测到的脉冲信号判断验证直流电源模块的状态；在启动工作后，通过监控系统OI的DSP控制电路采样输出反馈电路的电压及电流信号，DSP控制电路将给定的电压及电流与实际输出的电压及电流做PID运算，控制每个直流电源模块的输出，从而使得系统实现恒流、恒压或者恒功率控制。系统控制周期由监控系统01的DSP控制电路的模拟信号采集速度及串行通信电路的CAN总线传递的命令的速度决定，优选的TI2000系列的DSP芯片采集速度达到IOM0 CAN通讯速度达到1M，综合考虑系统的控制频率可以达到IOKHz以上，基本满足现在工业应用场合要求。
[0029]所述的一种电化学直流电源同频异相并联控制系统的控制方法，其发送同频异相信号及传递故障信号的方法在于:N个同频异相控制及故障传递电路用于传递同频异相控制信号给对应的直流电源模块并反馈直流电源模块的故障信号。当直流电源模块上电自检无故障后，直流电源模块的控制电路会将第三信号端SN3置高电平，第三光耦0P3导通，第二光耦0P2的阳极5及第四光耦0P4的阳极13会置高电平，第二光耦0P2和第四光耦0P4导通，当第一信号端SNl接收到监控系统的DSP控制电路发出的同频异相信号时，此时第一信号端SNl的电平变化,会通过第一光稱OPl和第二光稱OP2的传输，在第二信号端SN2引起相同的电平变化，同时通过第一光耦OPl和第四光耦0P4的传输，在第四信号端SM也会引起相同的电平变化，第四信号端SM将此电平信号传递到直流电源模块的控制电路，实现了直流电源模块的同频异步控制。当直流电源模块故障时，直流电源模块的控制电路会将第三信号端SN3置低电平或悬空，此时第三光耦0P3不导通，第一信号端SNl的电平变化时，不能引起第二信号端SNl及第四信号端SM的电平变化。当工作时，若从第四信号端SM监测到与第一信号端SNl相同的电平信号时，则表示直流电源模块接受到正确的同频异相信号，若监测到不同的电平信号时，则表不相应的直流电源模块处于不正常工作模式，即故障状态，第四信号端SM会立即反馈给监控系统的DSP控制电路处理。
[0030]本发明中所描述的具体实施例仅是对本发明精神的具体说明，本领域技术人员可以在不违背本发明的原理和实质的前提下对本具体实施例做出各种修改或补充或者采用类似的方式替代，但是这些改动均落入本发明的保护范围。因此本发明技术范围不局限于上述实施例。
【权利要求】
1.一种电化学直流电源同频异相并联控制系统，其特征在于:包括监控系统和N个直流电源模块，N > 2 ;所述监控系统包括DSP控制电路、串行通信电路、人机交互设备、N个同频异相控制及故障传递电路、输出反馈电路；所述DSP控制电路分别与串行通信电路、人机交互设备、N个同频异相控制及故障传递电路、输出反馈电路连接；所述串行通信电路用于传递直流电源模块上电命令及反馈N个直流电源模块的初始注册信息；所述人机交互设备用于设置和显示N个直流电源模块并联输出参数；所述N个同频异相控制及故障传递电路在每个直流电源模块的PWM控制周期给每个直流电源模块传递间隔均匀的同频异相信号，并传递直流电源模块的故障信号；所述输出反馈电路用来反馈N个直流电源模块的电流总输出及电压输出。
2.根据权利要求1所述的一种电化学直流电源同频异相并联控制系统，其特征在于:每个直流电源模块包括主功率电路、控制电路、串行通信接口单元、输出反馈电路、同频异相接收及故障传递电路；所述控制电路分别与主功率电路、串行通信接口单元、输出反馈电路、同频异相接收及故障传递电路连接；主功率电路包括顺次连接的三相整流滤波电路、高频逆变电路和输出整流滤波电路，三相整流滤波电路输入端与三相电源连接，输出整流滤波电路输出端与负载连接；输出反馈电路与输出整流滤波电路连接。
3.根据权利要求2所述的一种电化学直流电源同频异相并联控制系统，其特征在于:直流电源模块中的控制电路包含DSP芯片，该DSP芯片具有PWM同步信号输入引脚，该PWM同步信号输入引脚通过光耦连接到监控系统的N个同频异相控制及故障传递电路。
4.根据权利要求1所述的一种电化学直流电源同频异相并联控制系统，其特征在于:所述监控系统的串行通信电路包括CAN通讯电路；CAN通讯电路与各直流电源模块串行连接，用来传输上电命令及N个直流电源模块的初始注册信息。
5.根据权利要求1所述的一种电化学直流电源同频异相并联控制系统，其特征在于:所述监控系统的DSP控制电路用于向N个同频异相控制及故障传递电路发出同频异步信号，处理N个同频异相控制及故障传递电路传送的故障信息，并控制每个直流电源模块的输出，通过PID控制实现恒流、恒压或恒功率控制。
6.根据权利要求1所述的一种电化学直流电源同频异相并联控制系统，其特征在于:所述监控系统的每个同频异相控制及故障传递电路对应一个直流电源模块，每个同频异相控制及故障传递电路包括:7个电阻(Rl-R7)，4个光耦(0P1-0P4)，4个信号端(SN1-SN4)；其元器件连接关系为:第一电源(VCCl)经第一电阻(Rl)与第一光耦(OPl)的阳极(I)相连，第一光耦(OPl)的阴极(2)与第一信号端(SNl)相连，第一信号端(SNl)连接到监控系统的DSP控制电路；第一电源(VCCl)经第三电阻(R3)与第二光耦(0P2)的集电极(7)相连，同时第二光耦(0P2)的集电极(7)与第四信号端(SM)相连，第四信号端SM连接到监控系统的DSP控制电路，第二光耦(0P2)的发射极(8)与第一接地(GNDl)相连，第二电源(VCC2)经第二电阻(R2)与第一光耦(OPl)的集电极(3)相连，第一光耦(OPl)的发射极(4)与第三光耦(0P3)的集电极(11)相连，第三光耦(0P3)的发射极(12)分别与第二光耦(0P2)的阳极(7)、第四光耦(0P4)的阳极(13)相连，第二光耦(0P2)的阴极(6)经第四电阻(R4)与第二接地(GND2 )相连，第四光耦(0P4 )的阴极(14 )经第五电阻(R5 )与第二接地(GND2 )相连，第三光耦(0P3)的阳极(9)与第三信号端(SN3)相连，第三信号端(SN3)连接到直流电源模块的控制电路，第三光耦(0P3 )的阴极(10 )经第六电阻(R6 )与第二接地(GND2 )相连，第二电源(VCC2)经第七电阻(R7)与第四光耦(0P4)的集电极(15)相连，同时第四光耦(0P4)的集电极(15)与第二信号端(SN2)相连，第二信号端(SN2)连接到直流电源模块的控制电路，第四光耦(0P4)的发射极(16)与第二接地(GND2)相连。
7.用于权利要求1-6任一项所述的一种电化学直流电源同频异相并联控制系统的控制方法，其特征在于:所述监控系统的DSP控制电路通过串行通信电路发出上电命令，N个直流电源模块收到该上电命令后，自检无故障则启动直流电源模块的同步信号接收电路，并回传初始注册信息到串行通信电路，所述监控系统的DSP控制电路根据在线无故障直流电源模块的数量，通过每个同频异相控制及故障传递电路均匀发送同频异相信号到每个直流电源模块，启动每个直流电源模块的PWM工作，使工作的直流电源模块的PWM周期处于异步状态，并通过监测到的脉冲信号判断验证直流电源模块的状态；在启动工作后，通过监控系统的DSP控制电路采样输出反馈电路的电压及电流信号，DSP控制电路将给定的电压及电流与实际输出的电压及电流做PID运算，控制每个直流电源模块的输出，从而使得系统实现恒流、恒压或者恒功率控制。
8.权利要求7所述的一种电化学直流电源同频异相并联控制系统的控制方法，其特征在于:N个同频异相控制及故障传递电路用于传递同频异相控制信号给对应的直流电源模块并反馈直流电源模块的故障信号，当直流电源模块上电自检无故障后，直流电源模块的控制电路会将第三信号端(SN3 )置高电平，第三光耦(0P3 )导通，第二光耦(0P2 )的阳极(5 )及第四光耦(0P4)的阳极(13)会置高电平，第二光耦(0P2)和第四光耦(0P4)导通，当第一信号端(SNl)接收到监控系统的DSP控制电路发出的同频异相信号时，此时第一信号端(SNl)的电平变化，会通过第一光耦(OPl)和第二光耦(0P2)的传输，在第二信号端(SN2)引起相同的电平变化，同时通过第一光耦(OPl)和第四光耦(0P4)的传输，在第四信号端(SM)也会引起相同的电平变化，第四信号端(SM)将此电平信号传递到直流电源模块的控制电路，实现了直流电源模块的同频异步控制，当直流电源模块故障时，直流电源模块的控制电路会将第三信号端(SN3)置低电平或悬空，此时第三光耦(0P3)不导通，第一信号端(SNl)的电平变化时，不能引起第二信号端(SNl)及第四信号端(SM)的电平变化，当工作时，若从第四信号端(SM )监测到与第一信号端(SNl)相同的电平信号时,则表不直流电源模块接受到正确的同频异相信号，若监测到不同的电平信号时，则表示相应的直流电源模块处于不正常工作模式，即故障状态，第四信号端(SM)会立即反馈给监控系统的DSP控制电路处理。
【文档编号】H02M3/24GK103956729SQ201410135149
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年4月4日 优先权日:2014年4月4日
【发明者】杜贵平, 方俊翔 申请人:华南理工大学