基于DSP实现双闭环控制的直流电源图文精.docx

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基于DSP实现双闭环控制的直流电源图文精

第29卷第10期电力自动化设备Voi.29No.10@2009年10月ElectricPowerAutomationEquipmentOct.2009

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I●I___lI●__Il_基于DSP实现双闭环控制的直流电源

蔡方凯1.张玉平1・2

（1.成都电子机械高等专科学校通信工程系,四川成都610031;

2.西南交通大学电气工程学院,四Jll成都610031

摘要:

通过对电力机车直流稳压电源的分析.阐明了开关电源设计的技术要求。

选用智能功率模块IPM设计的电力机车110V数字开关电源.利用DSP数字信号处理芯片TMS320F2812对电源控制系统进行实时处理.采用电压外环、电流内环的双闭环控制策略。

设计了双闭环控制策略的软件.电流内环采用单神经元控制算法.给出了电压外环控制过程中Pm参数的设置过程.以保证电压输出的稳定性和电压调节的速度。

实验表明,电源运行稳定可靠.额定工况下电源转换效率达到94%,电压动态调节时间小于5ms,输出误差小于±1%。

关键词:

开关电源;效率;DSP;双闭环控制;IPM;设计

中图分类号:

TP303.3文献标识码:

A文章编号:

1006—6047（200910—0140—03

开关电源以其重量轻、体积小、效率高等诸多优点,广泛应用于计算机、通信、电力电子、航空航天等行业的各种仪器设备中[1-21。

目前,在开关电源的设计中.控制开关管的高频PWM脉宽调制信号可以用多种方式产生。

其中.利用DSP技术来产生PWM控制信号.以其快速的处理能力和强大的控制功能.正被越来越广泛地应用[3.引。

本文所讨论的开关电源技术是以铁路系统中的电力机车110V直流稳压电源为背景进行研究的【5]。

电力机车110V直流稳压电源的输入电压变化范围宽（277。

495V,转换效率和稳压精度要求高.输出功率大.并且对可靠性和安全性要求特别严格。

为此。

设计中利用DSP芯片进行实时数据采集和处理,主功率器件采用智能功率模块IPM（IntelligentPowerModule。

通过电压外环、电流内环的双闭环控制模式,达到电源稳压、限流和故障保护等多种功能Ls-7J。

1系统结构及工作原理

电力机车110V直流稳压电源的系统结构见图1。

为保证供电的不间断性,输出接有蓄电池组。

系统中的高频逆变器采用IPM.它以IGBT为基础。

内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路,与普通IGBT相比.在系统性能和可靠性上有很大的提高.同时由于IPM通态损耗和开关损耗都比较低.使散热器的尺寸减小.故整个系统的体积减小了。

主功率变压器采用非晶材质.极大提高了变压器的性能【7I引。

在本系统中.PWM控制处理器采用美国rI'I公司的TMS320F2812控制专用DSP芯片.TMS320F2812的基本特性如下[9-11]:

a.单个TM￥320F2812芯片有18KRAM、128KStYli日期:

2009—03—03:

修回13期:

2009—08—05蓄蚓鳖垂奎鎏

曰汀l控制于卡k]

二次

整流滤波

匦商掣IPWMI甲肭匝巫亟科,名五矗奏匾哥≮罕∥

I故障诊断l

图1110V直流稳压电源系统结构框图

Fig.1Blockdiagramof110VDC

regulatedpowersupplysystem

负载输出电漉检测豳

工

Flash.实现了高性能数字信号处理器与高精度模拟及闪存的结合.可用于在开发及对现场软件进行升级时的简单再编程:

b.16通道的PWM（脉冲宽度调制:

c.16通道12位ADC.其吞吐量每秒可达16.7M采样率.此外其双采样装置可在紧密的控制环路中提供关键的支持:

d.3个定时器:

e.串行口有CAN、McBSP、SPI、2SCIs.充分保证了通信的方便:

f.TMS320F2812器件为设计人员提供了整套的片上系统.极大地降低了板级空间及系统成本。

系统工作原理:

经过将弓网25kV交流进行变压后的396V交流信号输入到EMI中进行电磁兼容处理.然后通过全桥整流和滤波转换成直流信号（如图2所示,再通过高频逆变器IPM转变成脉动交流信号（开关频率为18kHz.经过主功率变压器进行降压处理,最后通过二次整流电路（如图3所示输出110V直流稳压信号。

　万方数据

第10期蔡方凯,等:

基于DSP安现双闭环控制的育流电源@

图2电网输入LC滤波网络及一级整流电路原理图Fig.2InputLCfalterand蛐maryrectificationcircuit工2

图3二级整流及LC滤波输出电路原理图

Fig.3SecondaryrectificationcircuitandoutputLCfilter整流器、开关二极管电流、电压快速上升或下降,电感电压、电容电流也迅速变化.这些都构成电磁干扰源.不仅表现为输出电压纹波大.而且产生高次谐波甚至电磁波辐射.为了有效地抑制相关的干扰。

在电网输入端加LC滤波网络是必要的。

主变压器在IPM模块的驱动下.经一次全桥整流后得到的直流逆变为固定频率、占空比不同的方波电流.经过二级整流.再经过LC滤波后输出稳定电压。

在本级整流桥路中.采用德国IXYS公司一对性能相同的快恢复二极管DESl2*101.12Ad模块。

由于输入电压变化范围较宽（277~495V,要保证输出稳定在110V电压点上.因而对系统的实时性和控制算法具有较高要求。

本系统利用TMS320F2812集成开发环境自带的RTOS系统一DSP/BIOS实现实时控制B10]。

2控制策略

开关电源的典型控制方法有2种。

即电压控制型和电流控制型。

电压控制型中只对开关电源的输出电压进行单环反馈控制。

设计和调试都比较简单。

目前这种方式已被广泛应用….13】。

电流控制型中既要对输出电压进行反馈控制.同时又要对输出电流进行反馈控制.设计和调试都相对比较复杂。

但是这种控制方法的动态响应速度快.同时能够对负载进行自动限流.适用于负载电流变化快的应用场合。

本文研究的开关电源主要为列车运行过程中的电气控制设备提供电源.因而对其稳定性和可靠性要求高.采取了电流控制型的控制策略进行双闭环控制IIH4].其中外环采用电压反馈控制.内环采用电流反馈控制,结构框图如图4所示。

监控模块检测出输出电压信号以和输出电流

图4双闭环控制结构原理图

Fig.4Principleofdualclosed・loopcontrol信号（电流反馈环节将电流信号转换成电压信号矾,并将其反馈到主模块的CPU中.主模块首先将反馈电压以与给定电压以作比较。

同时把进行电压环PID调节以后的输出值“。

作为电流闭环调节的给定值与电流反馈值“作比较,再将“。

和“比较以后的值送PID调节器.最后.通过电流环PID调节器的输出值U。

去控制PWM数字脉冲产生IPM控制信号,从而达到调节输出电压和限流的目的。

在控制过程中PID参数的设置对整个系统性能的影响非常关键。

电流内环采用了单神经元控制算法.单神经元PID控制系统比经典PID控制系统具有更强的自适应能力和抗干扰能力.同时单神经元控制算法比模糊控制、BP神经网络控制算法的计算量小,容易实现。

在保证电流内环正常工作的情况下.通过仿真得出电压外环PID参数的参考值.然后不断进行调试.修正参数.保证电压输出的稳定性和电压的调节速度。

3软件流程

根据双闭环控制策略.其软件流程如图5所示。

在软件设计时,考虑到电源实际功率的需求.采用并联结构来增大电源输出功率.因而在进行闭环调节时需要计算各工作模块的平均电流.同时利用补偿电流来增加并联模块的相关性。

双闭环控制任务的软件程序如下:

OSSehedlxtk（;∥锁定任务调度

G_nCnOut=G_nCnOut+fnRegulateVoll.oop（1884,G_nlref;∥电压闭环PID调节

G_nCompen=（INT32SG_nIout一（INT32SG_nlvae;∥计算补偿电流G_nlout:

负载电流Gnlvae:

平均电流

G_nGiveI=G_nCnOut+G_nCompen;∥给定电流=电压环PID调节输出+补偿电流

GnCnlOut=G_nCnlOut+fnRegulateIoLoop（G_nGiveI,G

流闭环调节

if（G_nCnlOut>60000G_nCnlOut=60000;I}‘1150

l各模块向监控模块通过CAN总线报到I

占

lI监控模块:

采集系统交流输人电压、输出电压、输出负载电流l山

监控模块:

根据模块总数,计算模块平均负载均流

山

I监控模块:

通过CAN总线,向各个功能模块发送平均负载电流值^藿慕贼篙崂苇勺_

I各个功能模块进入电流、电压双闭环调节程序

山

I各个功能模块通过CAN总线向监控模块发送运仃状态参数山

图5控制策略软件流程

Fig.5Flowchartofcontrolstrategy

　万方数据

if（G_nCnlOut<0G_nCnlOut=0;

fnSetMvDelayl（G

nCnlOut/355.o;ff200（O.5A->3（anghfnStartEvaPWM（;∥

PWMOUT_OFF;∥保持高电平,否则后级为低。

直通OSschedUMock（;∥解锁任务调度

4结语

利用电压外环、电流内环的双闭环控制策略和PID算法对电力机车直流稳压电源的主功率器件IPM进行控制.采用DSP技术进行实时信息采集和处理,达到了实时稳压限流的目的。

实验证明,电压动态调节时间小于5ms,调节速度快;电压输出精度高,电流从空载到额定值变化时其输出精度在±1%:

输出纹波系数小于2%:

电源转换效率高,额定工况下达到94%:

报警保护功能强大,具有过压、过流和短路保护,欠压、通信故障等报警功能;带载运行测试安全可靠.技术指标符合铁道部关于电力机车110V直流稳压电源的要求。

参考文献:

[1]刘胜利.高频开关电源实用技术[M].北京:

机械工业出版社,2006:

173.201.

[2]王锡凡,方万良,杜正春.现代电力系统分析【M].北京:

科学出版社.2003:

1.27.

[3]ANANDHITS,NATARAJANSP,ANrrHAT.UC3907ASICandTM￥320F2407ADSPbasedcontrolofparalleledBuckDC.DCconverters[C]∥INDICON,2005AnnualIEEE.India,UK:

AnnamalaiUniversity,2005:

472-475.

[4]王久和,黄立培,张金龙,等.一种新的电压型PWM整流器无源控制器设计[J].电力自动化设备。

2008,28（10:

38—45.

WANGJiuhe,HUANGLipei,ZHANGJinlong,eta1.Passivecon-trollerforthree.phasevoltage—sourcePWMrectifier[J].ElectricPowerAutomationEquipment,2008,28（10:

38—45.

[5]刘友梅.韶山3型4000系电力机车[M].北京:

中国铁道出版社,2000:

79—93.

[6]倪霞林,郑样盘.基于DSP&IPM的矢量控制系统优化控制[J].电力电子技术.2007,41（12:

85.87.

ⅣJXialin.ZHENGXiangpon.Opritualcontrolfor￡llevectorcontrolsystembasedollDSP&IPM【J].PowerElectronics,2007,41（12:

85—87.

[7]宋海鹰。

彭小奇,丁剑,等.基于DSP的电力机车自动监测系统设计[J].电力机车与城轨车辆,2003,26（6:

21.23.

SONGHaiying,PENGXiaoqi,DINGJian,eta1.Automaticinspec—tingsystem

ofelectriclocomotivebasedonDSP[J].ElectricLocomotives&MassTransitVehicles,2003,26（6:

21.23.

[8]王晓明,杨秀艳.董玉林.智能功率模块IPM故障信号的处理方法[J].辽宁工学院学报,2005,25（4:

95—96.

WANGXiaoming,YANGXiuyan,DONGYulin.Processingoffaultsignalsforintelligentpowermodules[J].JournalofLiaoningInstituteofTechnology,2005.25（4:

95-96.

[9]TexasInstrumentsIncorporated.TMS320C28x系列DSP的CPU与外设（上[M].张卫宁,译.北京:

清华大学出版社,2005:

79.199.[10]TexasInstrumentsIncorporated.TMS320C28x系列DSP的CPU与外设（下[M].张卫宁,译.北京:

清华大学出版社,2005:

272-312.

[11]陈特放,刘骞,余明扬,等.电力机车用110V大功率高频开关电源电磁兼容性[J].中国铁道科学。

2005,26（2:

100—105.CHENTefang,LIUQian,YUMingyang,eta1.Electromagneticcompatibilityof110VhishpowerhiSh—frequencyswitchingmodepowersupplyforelectriclocomotives[J].ChinaRailwayScience.20D5。

26（2:

100.105.

[12]成立,李华乐,王振宇,等.基于PFC技术的高效率双闭环DC/DC变换器[J].电力自动化设备,2008,28（12:

105.109.

CHENGLi,LIHuMe,WANGZhenyu,eta1.High—efficientDC/DCconverterWi也dualclose—loopbasedonPFCtechnology[J].ElectricPowerAutomationEquipment,2008,28（12:

105—109.[13]肖岚,李睿.电压电流双闭环控制逆变器并联系统的建模和环流特性分析[J].电工技术学报,2006.21（2:

51.56.

XIAOLan。

LlRui.Modelingandcirculating-currenteharacte-risticsanalysisofvoltageandcurrentdoubleclosed..100pcon-.trolledinverterparallelingsystem[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety。

2006,21（2:

51—56.

[14]袁清云.直流输电换流站换流器保护的配置及原理[J].高电压技术,2004,30（11:

13.14.

YUANQingyun.Arrangementandprincipieofconverterpro-toctionofHVDC[J].HighVoltageEngineering。

2004。

30（11:

13.14.

（责任编辑:

柏英武

作者简介:

蔡方凯（1969一,男,重庆人,副教授,主要从事信号与信息处理、计算机控制技术等方面的教学和科研工作（E.mail:

fkcai@126.corn;

张玉平（1976一,男,四川彭州人,讲师,硕士研究生,主要研究方向为通信网络、智能控制。

DCpowersupplywithDSP-baseddualclosed-loopcontrol

CAIFangkail,ZHANGYupin91t2

（1.DepartmentofCommunicationEngineering,ChengduElectromechanicalCollege,

Chengdu610031,China;2.SchoolofElectricalEngineering,

SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China

Abstract:

TheDCregulatedpowersupplyofelectriclocomotiveisanalyzedandthetechnicalrequirementsofswitchingpowersupplyareexplained.A1l0VdigitalswitchingpowersupplyofelectriclocomotiveisdesignedwithIPM（IntelligentPowerModuleanditsreal—timecontrolsystemadoptsDSPchipTMS320F2812.Dualclosed.100pcontrolofoutervoltageloopandinnercurrentloopisdesigned.Toensurethestabilityofoutputvoltage

andthespeedofvoltageregulation.thesingleneuroncontrolalgorithmisadoptedinthecurrentloopandthesetupprocessofPIDparametersofthevoltageloopisgiven.Testresultshowsthat,thedigitalswitchingpowersupplyisstableandreliablewiththepowertransformefficiencyof94%underratedconditions.thedynamicvoltageadjustmenttimelessthan5msandtheoutputerrorwithin±1%.Keywords:

switchingpowersupply;efficiency;DSP;dualclosed-loopcontrol;IPM;design

　万方数据

基于DSP实现双闭环控制的直流电源

作者:

蔡方凯,张玉平,CAIFangkai,ZHANGYuping

作者单位:

蔡方凯,CAIFangkai（成都电子机械高等专科学校,通信工程系,四川,成都,610031,张玉平,ZHANGYuping（成都电子机械高等专科学校,通信工程系,四川,成都,610031;西南交通大学,电气工程学院,四川,成都,610031刊名:

电力自动化设备

英文刊名:

ELECTRICPOWERAUTOMATIONEQUIPMENT年,卷（期:

2009,29（10

参考文献（14条

1.刘胜利高频开关电源实用技术2006

2.王锡凡.方万良.杜正春现代电力系统分析2003

3.ANANDHITS.NATARAJANSP.ANITHATUC3907ASICandTMS320F2407ADSPbasedcontrolofparalleledBuckDC-DCconverters2005

4.王久和.黄立培.张金龙一种新的电压型PWM整流器无源控制器设计2008（105.刘友梅韶山3型4000系电力机车2000

6.倪霞林.郑样盘基于DSP&IPM的矢量控制系统优化控制2007（127.宋海鹰.彭小奇.丁剑基于DSP的电力机车自动监测系统设计2003（068.王晓明.杨秀艳.董玉林智能功率模块IPM故障信号的处理方法2005（04

9.TexasInstrumentsIncorporated.张卫宁TMS320C28x系列DSP的CPU与外设（上200510.TexasInstrumentsIncorporated.张卫宁TMS320C28x系列DSP的CPU与外设（下200511.陈特放.刘骞.余明扬电力机车用110V大功率高频开关电源电磁兼容性2005（0212.成立.李华乐.王振宇基于PFC技术的高效率双闭环DC/DC变换器2008（1213.肖岚.李睿电压电流双闭环控制逆变器并联系统的建模和环流特性分析2006（0214.袁清云直流输电换流站换流器保护的配置及原理2004（11

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