一种波动负荷超前有源补偿系统的制作方法

本发明涉及开关电源领域，尤其涉及一种波动负荷超前有源补偿系统。

背景技术：

1、波动负荷，主要以电机启动、探测脉冲等形式，广泛存在于工业界中。波动负荷系统的功率链路，主要组成部分为前端工控机、负荷控制器和负荷供电电源。其中前端工控机通过用户互动和相关计算，确定波动负荷的工作模式；负荷控制器接到工作模式指令后，控制波动负荷的突增突卸；负荷供电电源主要用于给波动负荷提供功率支持。

2、波动负荷的特点是突变迅速、功率大、持续时间短。而负荷供电电源的输出功率主要由输出电压控制，只有输出电压跌落时电源才会提高输出功率，这样导致负荷供电电源功率响应较波动负荷需求有30us左右的滞后，该滞后导致负荷供电电源功率相对于波动负荷需求功率出现功率缺额，严重的功率缺额会导致脉冲功率不足从而使电机无法正常启动。

3、为了补偿功率缺额，现有解决方法通常是采用无源补偿，即在负荷供电电源输出端并联若干大容量电容，使得功率缺额能够由大容量电容放电提供。但这种无源补偿方法，带来了负荷供电电源成本和体积的大幅增加，降低了波动负荷系统整机功率密度，不利于波动负荷系统低成本轻量化的市场需求。如何在不增加负荷供电电源成本和体积的情况下，对功率缺额进行补偿，成为波动负荷系统低成本轻量化研发需要攻关的一个难点。

技术实现思路

1、为解决现有的技术问题，本发明提供了一种波动负荷超前有源补偿系统。

2、本发明的具体内容如下：一种波动负荷超前有源补偿系统，在波动负荷超前有源补偿系统中，使用到的硬件电路包括前端工控机(简称前端)、负荷控制器和负荷供电电源(简称电源)。其中前端主要功能在于与用户互动，识别用户需求并确定相应工作模式，并将工作模式指令下发给负荷控制器；负荷控制器主要功能在于，识别前端发出的工作模式指令，然后在控制高能负荷突增之前，先给电源提供与工作模式相对应的补偿参数；电源主要功能在于，在接收负荷控制器的补偿参数后，超前对高能负荷功率缺额进行补偿，从而避免了电源功率响应滞后所带来的功率缺额；

3、在波动负荷超前有源补偿系统中，使用到的高集成度电路互联，主要是负荷控制器和电源的一体化设计，不仅提高了硬件互联的集成度，同时也降低了复杂电磁环境下通讯受干扰的可能性。电路互联结构为前端工控机通过光纤或电缆连接该一体化设计，负荷控制器和负荷供电电源为板级互联的一体化设计。

4、在波动负荷超前有源补偿系统中，使用到的高可靠性数据互联，负荷控制器与前端的通讯数据仅为工作模式，采用网口或者光纤通讯，且负荷控制器与前端的通讯断线后负荷控制器自带工作模式闭锁，这样能够提高数据互联的容错率。而负荷控制器与电源的一体化设计能够在pcb级确保电磁干扰的最小，所以主要通讯数据集中在负荷控制器和电源之间，采用与电源相匹配的通讯协议即可。

5、在波动负荷超前有源补偿系统中，使用到的超前补偿模型和相关参数计算方法，建立了超前补偿模型，使用该模型计算出超前补偿参数，进而控制电源参考直压波动，实现对波动负荷功率波动的有源补偿，超前补偿模型和参数计算方法如下；

6、负荷控制器建立超前补偿模型，通过该模型计算出超前补偿参数，超前补偿模型如下：

7、输入为电压环控制器的参考电压vref，经过电压控制器gv、电压环输出对电感电流的增益系数gm，1/cs，cs为补偿电容，pulse为波动负荷脉冲，输出电压vout，

8、超前补偿参数x计算方法如下：

9、

10、在波动负荷超前有源补偿系统中，使用到的超前补偿参数离散化处理算法，在考虑电源通讯速率和电源计算频率的情况下，选择合适的离散时间，对超前补偿参数进行处理，得到实际可以使用的离散化超前补偿参数，离散化处理算法如下；

11、

12、其中，kvp为负荷控制器的比例环节系数，kvi为控制器的积分环节系数，s为微分算子；

13、

14、其中，t为当前时刻，τ为离散化后的处理时步，y(t)为控制器的输出，

15、

16、在波动负荷超前有源补偿系统中，使用到的高效高可靠性负荷控制器资源配置，负荷控制器内存中写入预先计算出的与工作模式对应的补偿参数。负荷控制器在识别工作模式指令后，通过查表法将补偿参数提供给电源，避免了大量实时计算，节省了控制器资源，可靠保证了补偿参数与工作模式的对应关系，负荷控制器资源配置如下：

17、负荷控制器包括fpga芯片，fpga芯片设有spi接口、i2c接口、以太网接口、i/o及备用接口，与晶振、watch dog、flash pram芯片连接，还通过光耦隔离连接pwm，并连接光纤。

18、在波动负荷超前有源补偿系统中，使用到的系统无源参数优化方法，在使用有源超前补偿后，以波动负荷耐压、电源稳定性、功率密度要求和成本限制为边界条件，得出无源容性器件最小的系统参数，从而降低了波动负荷系统的制造成本，提高了波动负荷系统的功率密度，无源参数优化方法如下：

19、无源参数优化方法如下：

20、在不超过负荷最高耐压umax条件下，即c1为此条件下补偿电容最小值，unorm为稳态时的输出电压，tdelay为波动负荷相对于超前有源补偿控制的延迟时间；

21、保证电源环路稳定条件下，即c2为此条件下补偿电容最小值，jω0为控制器截止频率；

22、系统功率密度对电容体积的约束条件下，即c3≤c(vmax)，c3为此条件下补偿电容最大值，c(vmax)为实际电路体积约束下能够放置电容的最大值；

23、成本对电容体积的约束条件下，即c4≤c(moneymax)，c4为此条件下补偿电容最大值，c(moneymax)为实际电路成本约束下能够放置电容的最大值；

24、所需的补偿电容容量最大值所需的补偿电容容量最小值

25、本发明的有益效果：本发明所提供的波动负荷超前有源补偿系统，能够在不加入额外功率电路的前提下，利用基于负荷控制器的补偿算法，控制负荷供电电源自身的功率电路，在功率缺额出现之前对波动负荷进行有源功率补偿。从而在达到比无源补偿更好效果的同时，极大节省了系统容性器件，有利于波动负荷系统的轻量化和低成本。

技术特征：

1.一种波动负荷超前有源补偿系统，其特征在于：包括前端工控机、负荷控制器和为负荷供电的电源；

2.根据权利要求1所述的波动负荷超前有源补偿系统，其特征在于：负荷控制器和电源为一体化设计。

3.根据权利要求1所述的波动负荷超前有源补偿系统，其特征在于：负荷控制器与前端工控机的通讯数据为工作模式，采用网口或者光纤通讯，且负荷控制器与前端的通讯断线后负荷控制器自带工作模式闭锁。

4.根据权利要求1所述的波动负荷超前有源补偿系统，其特征在于：负荷控制器建立超前补偿模型，通过该模型计算出超前补偿参数，超前补偿模型如下：

5.根据权利要求4所述的波动负荷超前有源补偿系统，其特征在于：在考虑电源通讯速率和电源计算频率的情况下，选择合适的离散时间，对超前补偿参数进行处理，得到实际可以使用的离散化超前补偿参数，离散化处理算法如下：

6.根据权利要求1所述的波动负荷超前有源补偿系统，其特征在于：内存中写入预先计算出的与工作模式对应的补偿参数，负荷控制器在识别工作模式指令后，通过查表法将补偿参数提供给电源。

7.根据权利要求6所述的波动负荷超前有源补偿系统，其特征在于：负荷控制器包括fpga芯片，fpga芯片设有spi接口、i2c接口、以太网接口、i/o及备用接口，与晶振、watchdog、flash pram芯片相连，还通过光耦隔离连接pwm，并连接光纤。

8.根据权利要求1所述的波动负荷超前有源补偿系统，其特征在于：在使用有源超前补偿后，以波动负荷耐压、电源稳定性、功率密度要求和成本限制为边界条件，得出无源容性器件最小的系统参数。

9.根据权利要求8所述的波动负荷超前有源补偿系统，其特征在于：无源参数优化方法如下：

技术总结
本发明涉及一种波动负荷超前有源补偿系统，包括前端工控机、负荷控制器和为负荷供电的电源；其中，前端工控机与用户互动，识别用户需求并确定相应工作模式，并将工作模式指令下发给负荷控制器；负荷控制器识别前端发出的工作模式指令，然后在控制高能负荷突增之前，先给电源提供与工作模式相对应的补偿参数；电源在接收负荷控制器的补偿参数后，超前对高能负荷功率缺额进行补偿。本发明能够在不加入额外功率电路的前提下，利用基于负荷控制器的补偿算法，控制负荷供电电源自身的功率电路，在功率缺额出现之前对波动负荷进行有源功率补偿。从而在达到比无源补偿更好效果的同时，极大节省了系统容性器件，有利于波动负荷系统的轻量化和低成本。

技术研发人员：冯锟,管松敏,卢胜利
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第十四研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12