基于数字PID的开关电源并联系统实验研究

芦守平, 国 强, 刁 鸣

(哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院 国家级电工电子实验教学中心, 黑龙江 哈尔滨 150001)

基于数字PID的开关电源并联系统实验研究

芦守平, 国 强, 刁 鸣

(哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院 国家级电工电子实验教学中心, 黑龙江 哈尔滨 150001)

为了很好地解决开关电源并联时各电源模块间电流不相等的问题,基于数字PID控制算法,提出了多路电源模块并联的均流方案,并收到了良好的负载均流控制效果。在实验中使用的并联系统样机由2个输出电压12 V、负载电流2 A的电源模块搭建而成。实验数据表明:均流精度达0.6%以内,输出功率越大,均流效果越好；在动态负载下,输出电压变化小于0.35%。

开关电源； 并联控制； 均流技术； PID算法

大功率输出、不间断供电电源的解决方案之一是采用多台开关电源模块并联供电。单机开关电源功率过大会造成电源设备冷却困难,同时,单机大功率开关电源的电源应力会提高,可靠性将降低。工程上电源输出功率扩大采用多路电源并联,仅仅通过简单的并联方式不能保证功率扩大后的电源系统稳定、可靠地工作。实际中,并联各电源模块外特性不尽相同,有的模块轻载、有的模块重载甚至过载运行,负载供电稳定性较差,影响系统可靠运行。为可靠地实现开关电源并联工作,关键的是要解决各电源模块的均流控制问题。均流是指当负载变化时,并联工作的每个电源模块的输出电压变化相同,使每台电源的输出电流按功率份额均分,使单个电源不至于工作在过载状态,以保证整个供电系统正常工作。

1 开关电源并联系统的均流方案

均流技术是对系统中各并联电源的输出电流加以控制,尽可能均分系统输入的总电流,确保多台电源可靠运行的一种特殊措施。电源并联均流技术应满足的条件有:所有电源模块单元应采用公共总线,整个系统应有良好的均流瞬态响应特性,整个并联输出扩流系统有一个公共控制电路等。

均流控制实现的方法有多种,可以分为模拟方法和数字方法两种。常见的模拟并联均流技术有:输出阻抗法、主从设置法、平均电流值自动均流法、外加均流控制器均流法和强迫均流法等,这些均流方法大多采用模拟量控制。以强迫均流法为例说明模拟控制方式的特点。强迫均流原理图[1]如图1所示,整个电源系统的均流采用电源监控模块实时控制。采样电压Us与系统基准电压Ur相比较产生误差电压Ue,该电压送至每个模块与模块电流进行比较,影响模块的参考电压,从而改变输出电压,调节输出电流,使每个模块输出电流相等。可看出,每个模块都相当于电压控制的电流源。模拟方法实现模块间的均流存在的问题是采用元器件多,电路调整设置复杂,均流精度低(约1%～5%)[1-5],均流效果不十分理想。

图1 强迫均流原理图

与模拟均流方法相比,数字均流具有可编程、受环境影响少、需要的元器件少、采用相应软件可以实现复杂控制等优点[6-10],是均流技术发展的方向。下面基于数字PID控制算法进行开关电源并联系统的均流控制。

2 PID控制原理

2.1 位置式PID控制原理

PID控制是一种具有几十年应用经验的控制算法,在工业控制系统中已经得到了广泛的应用[11]。位置式PID的离散数学表达式为

(1)

式中:u(n)为第n次采样时刻的计算机输出值，n为采样序号,n=0,1,2,…；e(n)为第n次采样时刻输入偏差值；e(n-1)为第(n-1)次采样时刻输入偏差值；KP为比例系数,KI为积分系数,KD为微分系数。

式(1)通常又称为位置式PID控制典型表达式。从式(1)可看出，输出值u(n)是过去误差值的累加量,其数字化后应用到开关电源的并联系统中,系统经n次数据采集易产生积累误差,控制起来也不方便,即控制精度不容易实现,稳态输出特性差。

2.2 增量式PID控制原理

当执行机构需要控制的量是增量时,较理想的方案是采用增量式PID控制,增量式PID算法其表达式为

(2)

式中:u(n)、u(n-1)分别为n、n-1时刻的PID控制器的输出值。

根据增量式PID算法可以推导出位置式PID算法的递推形式,其表达式为:

(3)

式(3)中:w(n)为系统的输入量,y(n)为控制对象的测量值。

这就是计算机控制中广泛应用的数字递推PID控制算法。只需在增量型PID算法流程基础上,增加一次加运算u(n)=u(n-1)+Δu(n)和更新u(n-1)即可。相对于非递推式而言,从式(3)可看出,递推式位置算法在计算过程中只与最近3次误差值有关。因此,位置式PID算法递推形式有计算量小,可靠性高的特点。

3 增量式PID控制并联开关电源的实现

3.1 增量式PID并联开关电源硬件

增量式PID并联开关电源硬件框图见图2。在实验研究中采用两路直流开关电源并联,进行的理论推导和算法的演示所得结论可扩展到n路并联供电系统中。

开关电源并联系统以单片机作为控制与检测核心。单片机选用美国德州仪器(TI)公司16位RISC混合信号处理器MSP430F149[12],它具有处理能力强、运算速度快、超低功耗、片内资源丰富和开发方便高效等特点,在系统中实现了被控对象要求的数据采集、分析处理、状态显示、输出控制等功能。其内部有定时器A和B,称为TimerA3和TimerB7,其中TA0与TB0用于脉冲宽度(PWM)周期控制,不能输出PWM信号,这是由MSP430F149的定时器工作模式所决定的；因此有8个PWM输出,即TA1、TA2、TB1、TB2、TB3、TB4、TB5以及TB6,它们实现PWM占空比的调整和控制,输出的是希望的PWM信号。MSP430F149的ADC12为SAR型12位AD,共有16路输入通道,其中8路独立的外部输入通道。

开关电源模块两路都采用单端反激式拓扑结构,由单片机在定时中断内用软件实现PWM的调节[8-13]。使用2个霍尔元件分别对两路输出电流I1和I2采样,并转换为电压信号。并联供电系统输出电压、电流信号(转换电压信号)经单片机内部12位ADC采样转换后送至CPU进行处理,形成闭环反馈控制。

用增量式PID算法实时调整PWM信号的占空比以保证稳压输出,同时,用软件方法对两路电流反馈信号进行处理,分别测算出两并联支路的电流值I1和I2。系统输出电流为两并联支路电流之和,即IO=I1+I2=U/R,任意时刻输出电压U和输出电阻R都是某一定值,所以电流和IO为一定值。

图2 增量式PID并联开关电源硬件框图

3.2 增量式PID控制算法设计

以2个并联电源模块的电流I1、I2为实验对象:负载电流为IO,2条支路电流之和可表示为

(4)

从式(4)可看出,任意时刻实际输出电压UO和电流IO都是某一定值,所以动态输出电阻R为一定值；通过输出电压的设定值Ur和某一时刻的动态输出电阻R算出此刻所需的电流Ir,最终确定两路电流I1和I2的大小。

递推式位置PID算法的实现过程:以并联的第1支路为例,首先由单片机读取数字形式的实际电流值I1,然后和设定电流Ig相比较,得出差值e(n)=Ig-I1,根据e(n)的正负与大小,调用位置式PID算法的递推形式(3),计算得到与所需输出电流相对应的占空比,进而调节实际输出电流的大小。

3.3 增量式PI调节子程序流程图

本电源并联系统由单片机在定时中断内用软件实现脉冲宽度的调节,最终形成电源系统闭环反馈控制。并联电源控制系统全部是由软件实现的,整个系统实现的软件流程图较大,会占去文章较大篇幅,在此仅提供增量式PI调节子程序流程图,如图3所示。

图3 PI调节子程序流程图

3.4 实验测试数据

两路开关电源并联系统直流输出电压和电流数据由普源电子多用表DM3058e测试得到。DM3058e是5位半数字电子仪器,该仪器测试精度足以保证其测试要求。测试值见表1,均流效果良好。

表1 两路开关电源并联支路电流I1、I2和输出电压Uo实验测试值

4 结论

开关电源并联系统采用了增量式PID数字均流控制技术,整个系统只需一片MSP430F149作为处理器,利用单片机软件实现了并联系统控制,从而获得了理想的均流效果,系统运行稳定、可靠,设计简单,可重构性强。本系统架构可扩展到8路开关电源并联系统中,系统功耗小、成本低,便与调试和维护,是一个很好的实验应用范例,且具有工程实用价值。

References)

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[4] 吴志明,孙道宗,黄孝远，等.程控开关电源并联供电系统的设计与试验[J].电子设计工程,2013,21(7):108-111.

[5] 吴雪峰,刘教瑜,王晨光.一种新型的开关电源并联供电的技术研究[J].电气自动化,2013,35(4):6-8.

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Experimental study of a parallel switching power supply system based on digital PID

Lu Shouping, Guo Qiang, Diao Ming

(National Level Electrotechnics & Electronics Experiment Education Center,College of Information and Communication Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001, China)

Based on digital PID control algorithm,a current sharing solution for the parallel switching power supply system is proposed to well solve the problem of output current inequality between the power supply modules, which achieves the desired control effect of current sharing.A prototype with two 12 V/2 A single-end flyback switching power supply modules is set up.The experimental data shows that the current sharing accuracy is better than 0.6%,and the greater the output power is,the better the current sharing accuracy is; the output voltage variation is less than 0.35% with a dynamic load.

switching power supply; parallel control; current sharing technology; PID algorithm

2014- 11- 17 修改日期：2015- 01- 06

2013年黑龙江省教育厅教改项目“多学科视角下探索高校研究生创新能力的培育”(JG2013010175)

芦守平(1956—)，男，辽宁盖县，工学学士，高级实验师，主要研究方向为功率电子技术、电工学实验教学和指导学生课外科技创新活动.主编出版了《电工与电子技术实验教程》教材两部,获国家发明专利一项,指导学生全国电子设计竞赛获“国家一等奖”一次、全国大学生节能减排科技竞赛获“二等奖”一次等各种奖项多次.

E-mail：lushouping@hrbeu.edu.cn

TN86

A

1002-4956(2015)7- 0046- 03