一種基于ARM和FPGA的高性能大功率直流電源

崔壯平+羅華+陳清+謝穩(wěn)

摘 要：為了滿足大功率直流供電的需要，設(shè)計了一種由若干相同標準直流單元串并聯(lián)組成的直流標準單元，主要對標準單元技術(shù)進行了介紹，該單元以M4和FPGA為微處理控制核心，以可控硅為功率器件。首先對標準單元的硬件結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，著重介紹了并聯(lián)時大功率回路的器件選型；接著對標準單元的軟件結(jié)構(gòu)和方法進行了介紹，在經(jīng)典雙閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上，提出了參數(shù)線性化控制方法，解決了PID參數(shù)自適應(yīng)的問題；最后以自制的直流單元進行了實驗，電流輸出控制精度能夠達到0.2%以上。

關(guān)鍵詞：大功率直流電源；可控硅；移相觸發(fā)；雙閉環(huán)控制

中圖分類號：TP23 文獻標志碼：A

A New High Performance and High Power DC Source Based on ARM and FPGA

CUI Zhuang-ping，LUO Hua，CHEN Qing，XIE Wen

（China International Engineering Design and Research Institute Co.，Ltd.，Changsha，Hunan 414000，China）

Abstract：In order to meet the need of high power DC power supply，a DC standard unit which composed of a series of parallel units with the same standard is designed in this paper.In this paper，the standard cell technology is introduced，which takes M4 and FPGA as the core of the micro processing control.In this paper，the hardware structure of the standard unit is designed at first，and the selection of the high power circuit is introduced.Secondly，the software structure and method of the standard unit are introduced，on the basis of the classical double closed loop control，this paper puts forward the parameter linearization control method，which solves the problem of PID parameter self-adaptation.Finally，the experimental results show that the current output control precision can reach more than 0.2%.

Key words：high power DC power supply；silicon control；phase-shift trigger；double closed loop control.

引 言

大功率直流電源廣泛應(yīng)用于冶金、化工及科研領(lǐng)域，大多采用二極管或晶閘管整流。前者不便大范圍平滑調(diào)節(jié)輸出電流或電壓，后者的模擬控制電路很難保證多臺運行的大功率直流電源的輸出性能，而采用數(shù)字控制能大大提高電源可靠性、一致性、精確性。因此，數(shù)字控制技術(shù)也就脫穎而出，成為大功率直流電源的最佳選擇。受目前半導(dǎo)體開關(guān)器件水平的限制，單臺大容量、兆瓦級電源技術(shù)尚不成熟，因此模塊化的大功率電源系統(tǒng)應(yīng)運而生，即多個并聯(lián)運行的大功率電源模塊共同為負載提供電能。

受誤差的不可避免性和工藝水平的限制等因素影響，并聯(lián)運行的各電源模塊的參數(shù)都會存在差異，致使其外特性不盡相同，帶載運行時，會導(dǎo)致輸出電流大的電源模塊熱應(yīng)力變大 損壞機率上升，可靠性降低，因此，在多電源模塊并聯(lián)運行的電源系統(tǒng)中必須引入有效的負載電流均流控制，防止一臺或多臺電源模塊運行在電流極限值（限流）狀態(tài)。

目前，在并聯(lián)的電源系統(tǒng)中，實現(xiàn)均流控制常用的技術(shù)有，輸出阻抗法、主從設(shè)置法、平均電流均流法[1]、最大電流均流法[2]、熱應(yīng)力自動控制法和外加均流控制器均流法等[3-5]經(jīng)過比較，在此，設(shè)計了一種基于ARM和FPGA架構(gòu)的直流電源，可以通過光纖方式進行并聯(lián)，采用平均電流均流法和輸出阻抗均流法，完成大功率直流供電，同時，為了減小整流諧波對電網(wǎng)的污染，采用多脈波方式進行互補并聯(lián)，平均電流均流法主要應(yīng)用于并聯(lián)工況，輸出阻抗均流法主要應(yīng)用于串聯(lián)工況，下面對直流電源標準單元進行詳細介紹。

1 電源硬件設(shè)計

1.1 總體硬件結(jié)構(gòu)

直流電源主要分為控制單元和整流回路，如圖1所示，整個直流電源由若干直流標準單元回路串并聯(lián)組成，單個整流回路包括整流變壓器、可控硅整流回路和輸出濾波回路，直流控制器從整流變壓器獲取同步信號，對可控硅輸出移相觸發(fā)信號?？刂破魍瑫r從輸出回路獲取直流反饋電流和電壓，調(diào)整移相觸發(fā)角度，從而完成電源輸出電流和電壓的閉環(huán)控制，同時，直流控制器需要完成與其他電源的并聯(lián)通信、與上位機的人機交互、通過通訊接受控制設(shè)備的控制信號，從而使電源按照用戶的要求、按照實際的工況進行直流控制，那么在此處，控制器的設(shè)計極為重要，直接關(guān)系到電源輸出質(zhì)量。

1.2 直流控制器設(shè)計

在所有微控制器中，ARM芯片擅長事件管理，DSP芯片擅長數(shù)據(jù)處理和計算，F(xiàn)PGA芯片擅長邏輯控制，在實際應(yīng)用中，直流控制器是一個同時需要事件管理、一定數(shù)據(jù)計算和邏輯控制的設(shè)備，因此，這里設(shè)計了如圖2所示的直流控制器硬件回路，控制器以M4和FPGA芯片為核心進行設(shè)計，M4芯片自帶ARM內(nèi)核與DSP浮點處理器，對于整流不算復(fù)雜的事件管理和浮點數(shù)據(jù)計算極為合適，因此在此處中主要完成電源的數(shù)字量輸入輸出控制、完成與上位機的人機交互、完成與其他設(shè)備的連接、完成AD取樣數(shù)據(jù)的處理（主要用于電源的雙閉環(huán)控制），而對于可控硅的移相觸發(fā)、以及與其他電源的并聯(lián)，邏輯性和實時性要求極高，那么選用FPGA較為合適，在本結(jié)構(gòu)中，主要利用FPGA進行同步信號提取，完成移相觸發(fā)脈沖的生成，同時，由于并聯(lián)成大功率電源的需求，需要完成并聯(lián)通訊邏輯，保證并聯(lián)的可靠性和實時性。endprint

1.3 整流變壓器選擇

為了降低大功率直流電源的諧波，在設(shè)計單臺直流電源的時候就必須對整流變壓器的選擇格外重視，圖3中，每個整流橋分別由2個不同聯(lián)結(jié)形式的變壓器提供三相電壓，其中 △/Y 聯(lián)結(jié)形式的變壓器副邊

電壓與原邊電壓之間存30度的相位差而△/△聯(lián)結(jié)形式的變壓器原邊輸入電壓與副邊輸出電壓之間不存在相位差。在大電感負載下，若忽略整流橋換相以及直流側(cè)的電流脈動，系統(tǒng)每相輸入基波電流與相電壓之間不存在相位差。但是，變壓器的移相作用會使 2個整流橋產(chǎn)生的某些次數(shù)諧波之間存在相位差，若其中一個整流橋產(chǎn)生的某些次數(shù)諧波電流與另外一個整流橋產(chǎn)生的相應(yīng)次數(shù)的諧波電流幅值相等、相位相反，則該次數(shù)的諧波電流將不會出現(xiàn)在整個系統(tǒng)的輸入電流中，圖1中2個整流橋的輸入電流分別為：

i1（wt）=K2 3πcoswt-cos5wt5+cos7wt7-cos11wt11+…（1）

i2wt=K2 3πcoswt+cos5wt5-cos7wt7-cos11wt11+…（2）

iwt=i1wt+i2wt

=K4 3πcoswt-cos11wt11+… （3）

由上式可知系統(tǒng)輸入電流中不含5次和7次諧波11次和13次諧波幅值相對于6脈波整流系統(tǒng)變大，輸出電壓由每周期6脈波變?yōu)?2脈波，由此可以顯著將諧波抵消，以此類推，采用18或者24脈方式，將各小直流電源的整流變選成不同角度輸出，將可以大大減小并聯(lián)形成的大功率電源諧波。

2 電源軟件設(shè)計

2.1 總體軟件設(shè)計

直流電源的關(guān)鍵在于直流控制器，直流控制器性能的好壞對電源起了決定性作用，基于上面提出的基于M4和FPGA的控制器結(jié)構(gòu)，提出如圖4所示的軟件結(jié)構(gòu)，主要分為M4的嵌入式程序及FPGA的硬件邏輯。

主要包括：

（1）整流控制器通訊處理程序：主要進行人機交互，并接受其他控制器的控制指令，為直流控制器對外的主要接口；

（2）直流邏輯控制程序：主要進行整流工藝的邏輯處理，完成直流的數(shù)字量輸入輸出控制；

（3）交流及直流電參數(shù)反饋計算程序：主要進行交流參數(shù)取樣及計算，獲取交流側(cè)信息進行電源保護，進行直流參數(shù)取樣及計算，作為閉環(huán)控制的反饋；

（4）直流雙閉環(huán)控制：主要實現(xiàn)直流輸出的閉環(huán)控制；

（5）同步信號提取邏輯：主要實現(xiàn)交流同步信號的鎖相；

（6）移相觸發(fā)邏輯：主要用于根據(jù)控制器雙閉環(huán)輸出的角度實現(xiàn)觸發(fā)信號生成；

（7）脈沖調(diào)制輸出邏輯：用于實現(xiàn)觸發(fā)脈沖的調(diào)制輸出，用以驅(qū)動可控硅；

（8）光纖通訊邏輯：主要用于實現(xiàn)控制器之間并聯(lián)通訊，實現(xiàn)多脈波整流。

2.2 雙閉環(huán)控制技術(shù)設(shè)計

直流電源的輸出精度主要依賴于控制算法，此處，直流控制采用了如圖所示的經(jīng)典雙閉環(huán)控制，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為電壓環(huán)，電壓環(huán)的輸出為電流環(huán)的給定，電流環(huán)的輸出為可控硅移相觸發(fā)角（輸出范圍為0-120度）。

無論內(nèi)環(huán)還是外環(huán)，均采用工程常用的PID控制，理論公式如（4）所示，進行離散化后，位置式的PID如（5）所示，控制步長根據(jù)實際情況進行選擇，一般外環(huán)的控制周期需要遠遠大于內(nèi)環(huán)周期，保證雙閉環(huán)控制的穩(wěn)定性，實際實現(xiàn)過程中，位置式的PID并不具有太明確的物理含義，因此選擇增量式的PID控制，如（6）所示。

ut=Kpet+1Ti∫etdt+Tddetdt（4）

uk=Kpek+Ki∑kj=0e（j）+Kd[ek-e（k-1）]]（5）

uk=uk-uk-1

=Kpek+Kie（k）+Kd[ek-e（k-1）]] （6）

2.3 線性化控制技術(shù)

對于直流控制而言，可控輸出的唯一量為移相觸發(fā)角，而對于直流控制器而言，實際需要得到的控制對象為電壓或者電流，那么我們首先需要了解移相觸發(fā)角和電壓的關(guān)系，如公式（7）和（8）所示，移相觸發(fā)角和電壓之間為分段三角函數(shù)關(guān)系，那么就決定了雙閉環(huán)控制的PID參數(shù)存在非線性，一組固定的PID參數(shù)對于控制器的控制作用在不同輸出下會有不同效果，比如調(diào)整PID在30度輸出時具有最佳精度，當控制器需要控制在60度時，這組參數(shù)帶來的控制精度將會下降。

Ud=62π∫2π3+απ3+α 3× 2U2sinwtdwtα≤601π/3∫ππ3+α 3× 2U2sinwtd（wt）α>60（7）

Ud=2.34U2cosαα≤602.34U21+cosπ3+αα>60（8）

為了保證輸出控制的一致性，應(yīng)該對PID輸出量做線性化處理，假定PID輸出為電壓，那么，在每次PID控制輸出后都需要進行一次移相角計算，即為（8）式的反函數(shù)：

α=arccos Uk2.34U2α≤60arccosUk2.34U2-1-π3α>60（9）

這樣，經(jīng)過增量式PID控制輸出后，采用（9）進行計算，再來調(diào)整PID參數(shù)，都可以得到最佳值。

2.4 標準單元串并聯(lián)均流控制

控制單元之間通過光纖并聯(lián)，由FPGA實現(xiàn)光纖并聯(lián)的控制邏輯，實現(xiàn)各控制器之間的同步協(xié)調(diào)控制，對于并聯(lián)實現(xiàn)大電流工況，采用平均電流法，各整流回路獨立完成平均電流大小控制；對于串聯(lián)實現(xiàn)大電壓的工況，采用負載均流法，各單元采用相同的整流移相角控制，由負載自動完成均流作用。

3 結(jié) 果

以上述結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，設(shè)計了如圖7所示整流單元，其中，控制器部分，考慮到整流一般為工業(yè)用途，因此選擇恩智浦LPC4000系列的M4芯片LPC4088FET208作為事件管理及控制MCU，考慮到整流控制的邏輯較為簡單，為了節(jié)約成本，選擇Altera的低端FPGA—EP1C3T144C8，根據(jù)控制器的需要，將控制板分成了模擬取樣、數(shù)字量IO、通訊、同步和脈沖放大等部分。完成了圖中的控制部分，功率部分安裝于控制單元內(nèi)部，并配以相應(yīng)的散熱、電器回路，即完成電源的基本單元。

之后，我們以該標準單元為基礎(chǔ)，進行了直流電源電流輸出能力測試，得到了如表1和表2所示結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，新型直流控制器的純電流環(huán)控制精度誤差可以控制在0.2%以內(nèi)，電壓外環(huán)及電流內(nèi)環(huán)同時作用下，電壓控制精度，仍然可以達到0.5%。

參考文獻

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