直流电源异步并联数字控制系统及其控制方法

直流电源异步并联数字控制系统及其控制方法
【专利摘要】本发明涉及直流电源异步并联数字控制系统及其控制方法，直流电源异步并联控制系统包括监控系统和N台直流电源模块，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、异步控制电路及反馈电路；所述DSP控制电路分别与串行通信电路、人机交互设备、异步控制电路及反馈电路连接。本发明的直流电源异步并联数字控制系统可根据需要实现多电源模块的异步有序工作，真实控制并联的输出波形，快速实现电源系统的恒压、恒流或恒功率控制；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。
【专利说明】直流电源异步并联数字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，具体涉及直流电源异步并联数字控制系统及其控制方法。
【背景技术】
[0002]目前，在许多行业中，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，常采用多模块并联运行，其输出能量是模块输出的数倍，提高了直流电源的功率等级，同时多模块并联工作使系统具有一定的冗余度，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。不过目前多模块并联运行的大部分大功率直流电源都采用恒流硬并联工作模式，难以实现模块电源的异步有序工作，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。

【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，提出了直流电源异步并联数字控制系统及其控制方法。本发明的直流电源异步并联数字控制系统可根据需要实现多直流电源模块的异步有序工作，真实控制并联的输出波形，快速实现电源系统的恒压、恒流或恒功率控制；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:
直流电源异步并联数字控制 系统，包括监控系统和N台直流电源模块，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、异步控制电路及反馈电路；所述DSP控制电路分别与串行通信电路、人机交互设备、异步控制电路及反馈电路连接；所述串行通信电路用于实现DSP控制电路与N台直流电源模块之间的通信；所述人机交互设备用于设置和显示N台直流电源模块的输出参数；所述异步控制电路在每个直流电源模块的PWM控制周期给相应的直流电源模块发出间隔均匀的同步信号，所述反馈电路用来反馈每一台直流电源模块的工作电流及输出电压。
[0005]所述的每个直流电源模块均包括主功率电路、控制电路、串行通信接口单元及输出反馈电路；所述控制电路分别与主功率电路、串行通信接口单元及输出反馈电路连接，控制电路可以选用TI2000系列DSP，用于控制直流电源模块的功能及功率输出控制；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，且还与监控系统中的反馈电路连接。
[0006]所述监控系统的串行通信电路包括RS485及CAN通讯电路；所述RS485通讯电路连接到每一台直流电源模块，用来传输直流电源模块的运行信息(包括直流电源模块的输出电流、输出电压);CAN通讯电路也连接到每一台直流电源模块，用来传输监控系统到直流电源模块的控制信息(包括监控系统给N台直流电源模块的启动控制、输出状态及幅值控制等信息)。
[0007]所述监控系统的异步控制电路由多路光耦输出组成，其光耦可以优先选择高速光耦，例如6N137及6N136 ;异步控制电路由DSP控制电路中的DSP的PWM信号作为信号源，产生多路同频异相的PWM信号输出，通过异步控制电路输出到每个直流电源模块，控制每个直流电源模块PWM控制周期，使每个直流电源模块相互之间同频异相工作。
[0008]所述监控系统的反馈电路由直流电源模块的输出电流反馈电路及输出电压反馈电路组成，N台直流电源模块反馈电路反馈每一台直流电源模块的实际工作电流及电压，直流电源模块的电流反馈电路及输出电压反馈电路优先选择线性光耦，可采用HCPL7840或者HCNR200等器件完成。
[0009]每个直流电源模块的控制电路采用DSP芯片，所述直流电源模块由DSP芯片控制，DSP芯片具有PWM同步信号输入引脚，输入引脚通过光电耦合器连接到监控系统的异步控制电路。作为优选，DSP控制电路采用TI2000系列的DSP芯片，其具有16路模拟信号输入可以满足N台直流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。
[0010]所述直流电源异步并联数字控制系统，其整体控制方法是:所述监控系统通过串行通信电路的CAN总线发出系统上电命令，N台直流电源模块收到该CAN总线命令后，通过串行通信电路的RS485总线回复并注册，所述监控系统根据RS485总线得到每台直流电源模块的信息，并按接收到的直流电源模块信息顺序排列同步信号，通过异步控制电路控制每一台直流电源模块的PWM信号；为了使工作的直流电源模块的PWM信号周期处于异步状态，在启动工作后，通过DSP芯片采样反馈电路反馈的直流电源模块工作电流，求和得到系统的总工作电流，又采样反馈电路反馈的系统的输出电压，从而实现系统的恒流、恒压或恒功率控制，其系统的控制周期由DSP的模拟信号采集速度及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10M。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。
[0011]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、很好的解决了多模块并联直流电源的无序控制模式。
[0012]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。
[0013]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。
【专利附图】

【附图说明】
[0014]图1是实施方式中的直流电源异步并联数字控制系统及其控制方法结构框图。
[0015]图2是实施方式中的直流电源模块结构示意图。
[0016]图3是实施方式中的异步信号的示意图。
【具体实施方式】[0017]以下结合具体实施对本发明做进一步说明。
[0018]如图1所示，为实施方式中的直流电源异步并联数字控制系统及其控制方法结构框图，该直流电源异步并联控制系统包括监控系统101和N台直流电源模块102，N ^ 2 ；所述监控系统101包括DSP控制电路、串行通信电路、人机交互设备、异步控制电路及反馈电路；所述DSP控制电路分别与串行通信电路、人机交互设备、异步控制电路及反馈电路连接；所述串行通信电路用于实现DSP控制电路与N台直流电源模块之间的通信；所述人机交互设备用于设置和显示N台直流电源模块的输出参数；所述异步控制电路在每个直流电源模块的PWM控制周期给相应的直流电源模块发出间隔均匀的同步信号，所述反馈电路用来反馈每一台直流电源模块的工作电流及输出电压。
[0019]如图2所示，为实施方式中的直流电源模块结构示意图，直流电源模块均包括主功率电路103、控制电路104、输出反馈电路105及串行通信接口单元106 ;所述控制电路104分别与主功率电路103、串行通信接口单元106及输出反馈电路105连接，控制电路104可以选用TI2000系列DSP，用于控制直流电源模块的功能及功率输出控制；主功率电路103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105还与输出整流滤波电路连接，且还与监控系统中的反馈电路连接。
[0020]所述监控系统101的串行通信电路包括RS485及CAN通讯电路；所述RS485通讯电路连接到每一台直流电源模块，用来传输直流电源模块的运行信息(包括直流电源模块的输出电流、输出电压);CAN通讯电路也连接到每一台直流电源模块，用来传输监控系统到直流电源模块的控制信息(包括监控系统给N台直流电源模块的启动控制、输出状态及幅值控制等信息)。
[0021]所述监控系统101的异步控制电路由多路光耦输出组成，其光耦可以优先选择高速光耦，例如6N137及6N136 ;异步控制电路由DSP控制电路中的DSP的PWM信号作为信号源，产生多路同频异相的PWM信号输出，如图3所示，通过异步控制电路输出到每个直流电源模块，控制每个直流电源模块PWM控制周期，使直流电源模块相互之间同频异相工作。
[0022]所述监控系统101的反馈电路由直流电源模块的输出电流反馈电路及输出电压反馈电路组成，直流电源模块反馈电路反馈每一台直流电源模块的实际工作电流及电压，直流电源模块的电流反馈电路及输出电压反馈电路优先选择线性光耦，可采用HCPL7840或者HCNR200等器件完成。
[0023]所述监控系统101的DSP控制电路的DSP芯片具有PWM同步信号输入引脚，输入引脚通过光电耦合器连接到监控系统101的异步控制电路。作为优选，DSP控制电路采用TI2000系列的DSP芯片，其具有16路模拟信号输入可以满足N台直流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。
[0024]所述直流电源异步并联数字控`制系统，其整体控制方法是:所述监控系统101通过串行通信电路的CAN总线发出系统上电命令，N台直流电源模块102收到该CAN总线命令后，通过串行通信电路的RS485总线回复并注册，所述监控系统101根据RS485总线得到每台直流电源模块的信息，并按接收到的直流电源模块信息顺序排列同步信号，通过异步控制电路控制每一台直流电源模块的PWM信号；为了使工作的直流电源模块的PWM信号周期处于异步状态，在启动工作后，通过DSP芯片采样反馈电路反馈的直流电源模块工作电流，求和得到系统的总工作电流，又采样反馈电路反馈的系统的输出电压，从而实现系统的恒流、恒压或恒功率控制，其系统的控制周期由DSP的模拟信号采集速度及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10M。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。
[0025]本文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.直流电源异步并联数字控制系统，其特征在于:包括监控系统和N台直流电源模块，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、异步控制电路及反馈电路；所述DSP控制电路分别与串行通信电路、人机交互设备、异步控制电路及反馈电路连接；所述串行通信电路用于实现DSP控制电路与N台直流电源模块之间的通信；所述人机交互设备用于设置和显示N台直流电源模块的输出参数；所述异步控制电路在每个直流电源模块的PWM控制周期给相应的直流电源模块发出间隔均匀的同步信号，所述反馈电路用于反馈每一台直流电源模块的工作电流及输出电压。
2.根据权利要求1所述的直流电源异步并联数字控制系统，其特征在于:每个直流电源模块均包括主功率电路、控制电路、串行通信接口单元及输出反馈电路；所述控制电路分别与主功率电路、串行通信接口单元及输出反馈电路连接；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，且还与监控系统中的反馈电路连接。
3.根据权利要求1所述的直流电源异步并联数字控制系统，其特征在于:所述监控系统的串行通信电路包括RS485及CAN通讯电路；所述RS485通讯电路连接到每一台直流电源模块，用来传输直流电源模块的运行信息；CAN通讯电路也连接到每一台直流电源模块，用来传输监控系统到直流电源模块的控制信息。
4.根据权利要求1所述直流电源异步并联数字控制系统，其特征在于:所述监控系统的异步控制电路由多路光耦输出组成；异步控制电路由DSP控制电路中的DSP的PWM信号作为信号源，产生多路同频异相的PWM信号输出，通过异步控制电路输出到每个直流电源模块，控制每个直流电源模块PWM控制周期，使每个直流电源模块相互之间同频异相工作。
5.根据权利要求1所述直流电源异步并联数字控制系统，其特征在于:所述监控系统的反馈电路由直流电源模块的输出电流反馈电路及输出电压反馈电路组成，直流电源模块反馈电路反馈每一台直流电源模块的实际工作电流及电压。
6.根据权利要求1所述直流电源异步并联数字控制系统，其特征在于:每个直流电源模块的控制电路采用DSP芯片，所述直流电源模块由DSP芯片控制，DSP芯片具有PWM同步信号输入引脚，输入引脚通过光电耦合器连接到监控系统的异步控制电路。
7.用于权利要求1~6任一项所述直流电源异步并联数字控制系统的控制方法，其特征在于:所述监控系统通过串行通信电路的CAN总线发出系统上电命令，N台直流电源模块收到该CAN总线命令后，通过串行通信电路的RS485总线回复并注册，所述监控系统根据RS485总线得到每台直流电源模块的信息，并按接收到的直流电源模块信息顺序排列同步信号，通过异步控制电路控制每一台直流电源模块的PWM信号；为了使工作的直流电源模块的PWM信号周期处于异步状态，在启动工作后，通过DSP芯片采样反馈电路反馈的直流电源模块工作电流，得到系统的总工作电流，又采样反馈电路反馈的系统的输出电压，从而实现系统的恒流、恒压或恒功率控制，系统的控制周期由DSP的模拟信号采集速度及CAN总线传递的命令的速度决定。
【文档编号】G05B19/042GK103631177SQ201310420774
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年9月16日 优先权日:2013年9月16日
【发明者】杜贵平, 何莉丹 申请人:华南理工大学