全數字化特種電源實(shí)時(shí)并機系統研究

摘要：在分析數字化并機網(wǎng)絡(luò )拓撲結構及CAN總線(xiàn)延時(shí)的基礎上，針對特種電源需要均流精度高，信號抗干擾強等特點(diǎn)設計了基于CAN總線(xiàn)結構的全數字化實(shí)時(shí)并機控制系統。采用實(shí)時(shí)操作系統提高了系統的數據處理能力，并在網(wǎng)絡(luò )利用率最大化前提下，通過(guò)加入備用機控制算法，提高系統的穩定性和輸出功率的上限。最后，采用ARM芯片設計了數字化實(shí)時(shí)并機系統，并在兩臺25 kW的特種電源樣機上進(jìn)行了均流特性和實(shí)時(shí)性實(shí)驗，實(shí)驗結果驗證了該系統的可行性。
關(guān)鍵詞：特種電源；均流；實(shí)時(shí)性

1 引言
數字化電源在中大功率開(kāi)關(guān)電源中應用廣泛，通過(guò)數字通信技術(shù)實(shí)現并機均流控制成為并機技術(shù)研究發(fā)展的方向之一。數字通信結構簡(jiǎn)單，節點(diǎn)獨立性強，便于實(shí)現復雜的控制算法，在此基礎上衍生出許多并機控制方式。
隨著(zhù)并機功率的不斷增加，網(wǎng)絡(luò )資源利用率引起的系統延時(shí)問(wèn)題也得到人們的關(guān)注。針對特種電源的工作性質(zhì)，例如需要在高溫、強電磁干擾、震動(dòng)、磨損等工況下工作時(shí)間長(cháng)等，其控制系統需要有較高的穩定性，數據通訊網(wǎng)絡(luò )需要有較高的安全性和實(shí)時(shí)性。
這里對比了不同的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，分析了CAN總線(xiàn)數據傳輸的實(shí)時(shí)性，在網(wǎng)絡(luò )資源負載一定的情況下利用備用機提高并機系統的功率輸出。最后，以集成有CAN總線(xiàn)的ARM芯片為核心，設計了針對特種電源的實(shí)時(shí)并機控制系統。該系統采用多任務(wù)實(shí)時(shí)系統結構，提高系統處理速度，并且設計實(shí)驗驗證了系統的均流特性和數據傳輸的實(shí)時(shí)性。

2 特種電源的數字化并機方案
2．1 并機均流方案
并機均流方案可分為輸出阻抗法、主從控制法、平均電流自動(dòng)均流法、最大電流自動(dòng)均流法和外控制器法等。數字控制與數字通信的特點(diǎn)可以很好地實(shí)現平均電流法。
平均電流法是通過(guò)均流母線(xiàn)獲得系統的平均電流，并與模塊電流進(jìn)行比較，通過(guò)均流處理得出補償電流基準，能夠精確實(shí)現均流的方法。但是模擬的均流母線(xiàn)上若出現短路或者不工作機，那么母線(xiàn)上電壓將會(huì )下降到下限，引起故障。通過(guò)數字通信技術(shù)獲得各個(gè)模塊的電流，可有效地避免上述情況的產(chǎn)生。
2．2 網(wǎng)絡(luò )拓撲的選擇
常用的網(wǎng)絡(luò )拓撲有環(huán)形網(wǎng)絡(luò )拓撲、菊花鏈網(wǎng)絡(luò )拓撲、總線(xiàn)式網(wǎng)絡(luò )拓撲。環(huán)形網(wǎng)絡(luò )拓撲具有結構簡(jiǎn)單，傳輸速度快等優(yōu)點(diǎn)，但其數據要通過(guò)每個(gè)節點(diǎn)并沿著(zhù)固定方向傳輸，若出現一個(gè)節點(diǎn)不工作將會(huì )使系統崩潰，而且其結構固定、可擴展性差。
菊花鏈式為相鄰兩個(gè)節點(diǎn)間數據相互交換的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，這樣可避免環(huán)形鏈中一個(gè)節點(diǎn)故障而引起的系統崩潰，并且具有較好的擴展性。由于其結構是點(diǎn)對點(diǎn)信息發(fā)送模式，所以到達主節點(diǎn)的信息就存在著(zhù)不同的延時(shí)。因此，為保證數據的實(shí)時(shí)性，傳輸介質(zhì)需要有較大帶寬容量。
總線(xiàn)式網(wǎng)絡(luò )拓撲是一點(diǎn)對多點(diǎn)的廣播模式，具有結構簡(jiǎn)單，節點(diǎn)可擴展性好，支持熱拔插等優(yōu)點(diǎn)。在開(kāi)關(guān)電源并機技術(shù)中采用較多的是CAN總線(xiàn)技術(shù)，其傳輸速度快，最高可以達到1 Mbps，并且抗干擾能力強，符合特種電源的工作要求。

3 CAN總線(xiàn)延時(shí)分析
上述CAN總線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)可很好地滿(mǎn)足平均電流法毫秒級的動(dòng)態(tài)響應時(shí)間和特種電源對數據實(shí)時(shí)性和安全性的要求。根據文獻中提供的方法可估算網(wǎng)絡(luò )通道容量。假定控制算法中僅需每個(gè)模塊的電壓和電流，并且每個(gè)數據幀發(fā)送的幀頭數據位為50％，則通道容量可近似為：
C=Nnnnbfos(1+50％) (1)
式中：N為每個(gè)節點(diǎn)需要傳輸的變量個(gè)數；nn為系統節點(diǎn)數；nb為每個(gè)字長(cháng)的位數；fos為系統開(kāi)關(guān)頻率。
根據式(1)得出網(wǎng)絡(luò )拓撲下并機個(gè)數的上限。CAN總線(xiàn)延時(shí)為：
Td=Td0／(1-D) (2)
式中：Td0為網(wǎng)絡(luò )空閑時(shí)的有效延時(shí)；D為網(wǎng)絡(luò )占用率，0≤D≤1。
根據式(2)可知，CAN總線(xiàn)并機不能盲目添加節點(diǎn)，當D=1時(shí)，總線(xiàn)延時(shí)無(wú)窮大。CAN總線(xiàn)延時(shí)由報文編碼、仲裁延時(shí)、傳輸延時(shí)和報文譯碼組成。其中報文編譯碼是由控制芯片處理速度和報文結構選擇決定，隨著(zhù)數字芯片的不斷升級，此延時(shí)可忽略不計。因此，CAN延時(shí)主要由仲裁延時(shí)Tm和傳輸延時(shí)Cm決定。其中Cm的計算式為：
Cm={8N+44(64)+[8N+34(54)-1]／5)／S (3)
式中：N為報文中包含的數據個(gè)數：S為總線(xiàn)設定的波特率。
對于Tm則要根據總線(xiàn)狀態(tài)與高優(yōu)先級競爭總線(xiàn)的關(guān)系決定，此處假設Tm一定，對Cm進(jìn)行分析。CAN總線(xiàn)在標準幀(擴展幀)Cm的計算公式，即數據從占用網(wǎng)絡(luò )到釋放網(wǎng)絡(luò )所需要的時(shí)間，如式(3)所示。由式(3)知，當S=500 Kbps時(shí)，Cm為微秒級，滿(mǎn)足并機實(shí)時(shí)性要求。
在基于總線(xiàn)結構的N+n(N，n為工作機、冗余機個(gè)數)并聯(lián)冗余技術(shù)中每個(gè)模塊工作在N／(N+n)的額定功率上，當系統中出現故障機時(shí)，故障機抽離，其他工作機平分多出的功率以實(shí)現輸出功率恒定。此模式需要所用工作機實(shí)時(shí)占用網(wǎng)絡(luò )，在進(jìn)行并機擴展中可能會(huì )因為網(wǎng)絡(luò )資源負擔引起不必要的延時(shí)。而且在N較小時(shí)，模塊處于低功率輸出，此時(shí)輸出效率較低。這里選用備用模塊概念，提高正常工作模塊的輸出功率，減少其冗余的功率，如果故障機出現則使用備用機代替其輸出，而且備用機在未觸發(fā)啟動(dòng)時(shí)在總線(xiàn)中只做接聽(tīng)模塊，并不占用網(wǎng)絡(luò )資源。此外啟動(dòng)備用機的信號具有網(wǎng)絡(luò )占用優(yōu)先級，以保證備用機迅速啟動(dòng)。并機網(wǎng)絡(luò )拓撲結構如圖1所示。

加入備用機算法可在提高并機模塊功率輸出的同時(shí)無(wú)需考慮模塊的冗余問(wèn)題，使得模塊可以在較好的功率輸出點(diǎn)，從而提高并機的輸出效率。但備用機切換過(guò)程中數據延時(shí)會(huì )引起輸出波動(dòng)如圖2所示。Io1與Io2之和為并機系統的輸出波形(Io1為正常工作機的輸出電流，Io2為備用機的輸出電流)，t0～t2(t4～t5)為工作機的關(guān)斷響應時(shí)間，t1～t3(t6～t7)為備用機的上升響應時(shí)間，其中t1～t0(t6～t4)為Cm時(shí)間。當Cm在要求范圍內，并機系統可視為輸出恒定。當Cm大到一定程度后就會(huì )出現系統輸出功率拉低的情況，此時(shí)其他電源將會(huì )承擔缺少的功率輸出，出現電源模塊過(guò)載情況損壞并機模塊，進(jìn)而影響到并機系統的穩定性。所以網(wǎng)絡(luò )選擇要盡量減少其Cm，以避免出現圖2b情況或者更甚。

4 軟件設計
此處提到編碼、譯碼延時(shí)由選用的控制芯片決定。該系統利用RTX實(shí)時(shí)系統內核，運用32位的ARM芯片進(jìn)行系統設計和實(shí)驗。
RTX內核是一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統，可以同時(shí)運行多函數或是任務(wù)，其進(jìn)程切換時(shí)間小于5μs，中斷停止時(shí)間小于1．8μs(在LPC21xx上執行，系統時(shí)鐘60 MHz)。RTX采用時(shí)間片搶占模式實(shí)現系統的實(shí)時(shí)操作，可通過(guò)軟件對其時(shí)間片時(shí)間進(jìn)行設置，實(shí)現程序流程的優(yōu)化設置，并通過(guò)任務(wù)的優(yōu)先級設置提高數據通訊的實(shí)時(shí)性。
由于備用電源的接入和故障機的退出都需要有較好的實(shí)時(shí)性來(lái)滿(mǎn)足整個(gè)并機輸出的穩定性，所以采用實(shí)時(shí)操作系統能很好地使用系統周期，避免因程序等待使得系統在處理數據上出現延時(shí)，影響并機輸出的穩定性。
4．1 均流控制算法
圖3示出均流控制算法和程序流程圖。

均流控制原理是在其原有的單環(huán)控制前加入均流控制，如圖3a所示。圖3a中，Id為系統初始設定輸出值，Ia=(Io1+Io2+…+Ion)／n，Ioi為第i個(gè)模塊的輸出電流，G為電源模塊的傳遞函數。均流處理環(huán)節的輸入為系統設定輸出與各個(gè)模塊輸出電流和的平均值的差值，通過(guò)均流處理對模塊單環(huán)輸入的額定值進(jìn)行均流補償。最終實(shí)現模塊的穩壓和系統各個(gè)模塊間的均流。
4．2 備用機控制算法
CAN總線(xiàn)上的數據包含均流數據、備用機啟動(dòng)信號等。備用機未啟動(dòng)前只接聽(tīng)總線(xiàn)數據，并不占用網(wǎng)絡(luò )資源，當備用機接收到啟動(dòng)信號后啟動(dòng)工作，并開(kāi)始進(jìn)行數據傳輸，故障機退出網(wǎng)絡(luò )，保證網(wǎng)絡(luò )負載不變。表1為系統中模塊ID的分配。

其中ID 0X01～03為正常工作用機，0X04，0X05為備用機。在4，5號機中，4號機擁有啟動(dòng)優(yōu)先級，5號擁有關(guān)斷優(yōu)先級。并機網(wǎng)絡(luò )的工作模式：1～3號機正常工作并進(jìn)行數據交換以實(shí)現并機間的數據均流，而4，5號機則處于準備狀態(tài)。當1～3號機有一臺發(fā)生故障時(shí)，故障機關(guān)閉本機工作輸出，并向備用機發(fā)送啟動(dòng)命令和本機工作狀態(tài)，4，5號機接收到命令后即按優(yōu)先級啟動(dòng)工作。同時(shí)，故障機發(fā)送自身ID和故障狀態(tài)給上位機，便于及時(shí)排查故障。經(jīng)過(guò)維修排除故障后，正常工作機則發(fā)送正常工作信號給備用機，備用機即刻停止工作，進(jìn)入準備狀態(tài)。工作模塊工作一段時(shí)間后可以與備用機進(jìn)行ID對換，以提高并機系統的暫載率，避免機器老化引起的功率輸出不平衡。

5 實(shí)驗
5．1 均流特性實(shí)驗
采用兩臺25 kW(630 A／44 V)電鍍電源進(jìn)行并機實(shí)驗，使其額定輸出達到50 kW。此實(shí)驗在固定電阻負載情況下進(jìn)行測量，測量數據如表2所示。由表中數據可見(jiàn)系統的均流誤差最大為2％，滿(mǎn)足工業(yè)產(chǎn)品最大均流誤差不大于5％的要求。

5．2 系統實(shí)時(shí)性實(shí)驗
首先對單機系統退出和進(jìn)入的實(shí)時(shí)性進(jìn)行實(shí)驗。實(shí)驗數據由TDS2012B數字示波器采集，通過(guò)origin75軟件進(jìn)行數據處理得到測試波形。

圖4示出模塊控制系統實(shí)時(shí)性和動(dòng)態(tài)特性，由圖4a可見(jiàn)，模塊的控制動(dòng)作在半個(gè)PWM周期內完成，符合實(shí)時(shí)性要求。由圖4b和數據可得模塊的動(dòng)態(tài)響應時(shí)間約為10 ms，滿(mǎn)足并機設計要求。
5．3 備用機調用實(shí)時(shí)性實(shí)驗
備用機切換實(shí)驗，采用模擬故障使工作機發(fā)出故障信號，并退出并機網(wǎng)絡(luò )，備用機代替工作機輸出功率。采用高壓探頭測量電阻負載在備用機切換時(shí)的電壓波形，如圖5所示。

u1為線(xiàn)性負載電壓，在t0時(shí)刻出現輸出下降，即為出現故障機，t1時(shí)刻輸出恢復，所以t0～t1為由故障機到備用機的功率轉換時(shí)間，約為15 ms，符合設計要求。

6 結論
該方案采用CAN總線(xiàn)通訊實(shí)現均流信息的交換，以實(shí)現并機系統的均流設計；采用備用機算法在網(wǎng)絡(luò )最佳工作接入點(diǎn)的局限下提高并機系統的功率輸出。最后以ARM芯片為核心設計了實(shí)時(shí)并機控制系統，通過(guò)實(shí)驗驗證了此均流方案具有良好的均流效果，同時(shí)備用機切換具有良好的實(shí)時(shí)性，提高了系統并機的可靠性。