开关电源并联网络化供电系统及其优化控制

王重, 刘斌, 黄金霞, 张曙云



开关电源并联网络化供电系统及其优化控制

王重, 刘斌, 黄金霞, 张曙云

(湖南工业大学理学院,湖南株洲, 412007)

针对智能微电网供电稳定性差的问题, 设计了一种基于MSP430和TPS5430的开关电源网络化供电系统。硬件设计部分, 以单片机MSP430芯片构成主控最小系统, 用BUCK型芯片TPS5430选择主从均流法实现系统电流均流, 实现了DC-DC高效变换。软件设计部分, 构建了一套嵌入脉冲控制思想的实时检测算法, 优化处理因系统噪声和外界干扰而引起的系统不稳定。MATLAB仿真测试结果表明, 本系统抗干扰强, 输出稳定。

开关电源;主从均流; 脉冲控制

随着国家新能源战略的部署, 智能微电网快速发展, 并网的分布式供电单元越来越多。各供电单元输出很难完全一致, 增加了微电网并网干线供电的波动性和随机性, 因此, 微电网输出的稳定性和可靠性是当前的一项研究热点[1–2]。

目前国内外许多专家在控制器件和控制理论等方面进行了深入的研究[3–4], 提出了脉冲控制、切换控制[5]等理论, 解决了微电网供电系统中大量的稳定性问题, 但也使得电网的结构越来越复杂, 运营成本也越来越高。此外, 为了消除微电网能源供给的波动性, 文献[6]和[7]中介绍了几种滤波器来增强供电的可靠性, 文献[8]对电网的结构进行了优化设计, 如集中式结构、多层次结构等, 文献[9]给出了基于MSP430单片机的微电网并网的设计, 实现了微电网的软件控制。其中控制芯片MSP430单片机是TI公司设计的一款高性能单片微型计算机(Single Chip Microcomputer, SCM), 具有超低功耗、超强处理能力、系统工作稳定等诸多优点。

鉴于此，本文设计了一种新型的开关电源网络化供电系统, 选择单片机MSP430F1611作为最小系统的主控芯片, 采用BUCK型芯片TPS5430实现DC-DC高效变换, 选择了主从均流法[10–11]实现均流, 并在各个端口设有信号检测。为了减少误差, 所有检测对象都采用金属膜功率电阻。为了保护电路设备, 在关键节点设有过流保护电路, 最后将所有的输出参数显示在LCD12864上。本文软件设计部分首次把脉冲控制思想[12]嵌入其中, 同时在各重要节点设有滤波器, 显著地提高了系统输出的稳定性和可靠性。

1 系统整体结构

本系统包括6个模块: 系统供电模块、DC-DC模块、电流均流模块、过流保护模块、单片机最小系统模块、显示模块。系统整体结构如图1所示。

图1 系统整体结构框图

图1中, 系统供电模块由微电网提供; DC-DC变换模块以高效率转换芯片TPS5430为核心, 输出电压稳定; 电流均流模块采用主从均流法, 以其中一个开关电源模块为主模块, 另一个开关电源模块为从模块, 检测2个开关电源模块的输出电流, 经比较器OP37比较后产生偏差, 再用偏差信号作为从模块电流的控制信号, 使得从模块电流得到调节并和主模块电流保持一致; 并联供电系统输出电压及电流经检测及处理电路送至MSP430F1611单片机最小系统模块, MCU进行信号检测判断, 系统正常运行则不动作, 否则进行脉冲控制或驱动过流保护电路, 所有输出参数在显示模块液晶显示屏LCD12864进行实时显示; 系统设有按照自动重合闸装置原理设计的过流保护电路, 当系统的负载电流超过设定阈值时, 就启动过流保护模块电路电路切断开关电源, 延时后再自动恢复供电, 若过电流继续存在, 则会彻底关闭电源。

2 系统硬件

2.1 最小系统设计

MSP430系列单片机时钟模块包括数控振荡器(DCO)、低速晶体振荡器和高速晶体振荡器。本系统通过设计多个时钟源或为时钟设计各种不同工作模式, 解决外围部件实时应用的时钟要求, 如低频通信、定时器、计数器、LCD显示等。数字控制振荡器DCO集成在MSP430内, 本系统只需设计低速晶体振荡器和高速晶体振荡器2部分电路。低速晶体振荡器(LFXTl)满足了低功耗及使用32.768 kHz晶振的要求。LFXTl振荡器默认工作在低频模式, 即32.768 kHz, 也可以通过外接450 kHz～8 MHz的高速晶体振荡器或陶瓷谐振器工作在高频模式。本系统采用低频模式, 晶振外接2个22 pF的电容经过IN和OUT连接到MCU。4和5为LCD显示输出端口,6为ADC和DAC转换端口,1～3为控制端口, LCD12864液晶显示电路设计直接给出。MCU最小系统[12]如图2所示。

2.2 DC-DC转换

设计DC-DC模块时, 把微电网整流后的输入电压整定为in= 9 V, 先用一个开关电源芯片输出电压, 通过改变3和4使输出电压o= 8 V。再用另外一个TPS5430芯片接成同样的BUCK型电路, 将2模块并联起来。2模块的电流之和理论上应该为负载上的电流, 可以通过MCU控制和改变电阻阻值来调节各模块上的电流。DC-DC模块如图3所示。

图2 MCU最小系统

图3 DC-DC电路图

图3中,1为储能电感,1为0.05 Ω的低温漂金属膜取样电阻,1为续流二极管。10 μF电容滤除高频信号, 为保证输出电压精度高, 此电容应尽量靠近TPS5430芯片。反馈线要远离电感, 调节输出电压的电阻3、4要靠近TPS5430的4脚。电路中电感和电容的选择对电路输出起到至关重要的作用。图3中电感。式中纹波系数IND取0.2,o= 1 A,SW= 500 kHz是开关电源的工作频率, 电感起储能作用, 电感量不能太小, 太小会引起电感的磁饱和; 电感量太大, 电感上会有很大的铜损和铁损, 而且电感大, 铜线匝数多, 电阻大, 损耗也大。电容。式中,CO是闭环交叉频率, 为2 590Hz。综合以上情况, 电感量取30 μH, 电容取470 μF。输出电压的计算可由给出。其中,ref= 1.23 V, 为了确保输出稳定,4选用的标称阻值为5 kΩ, 精度为2%的电阻。其工作原理是: 开关模块芯片TPS5430的反馈端电压在1.23 V左右, 5脚ENA使能端只有高电平芯片才能工作, 可以实现过流电保护, 芯片通过内部500 kHz频率振荡, 使4引脚脚电压稳定在1.23 V, 通过改变3和4的阻值可以改变输出电压的大小, 因此, 该电路最终在外围器件选择合理的情况下, 如何合理选择3、4就很重要。

2.3 主从均流

主从均流电路图如图4所示。假设2个并联的开关电源模块分别为模块1和模块2, 2个模块输出端均设置了电流检测, 电流检测信号经放大器放大后分别送至比较器OP37进行比较, 其中模块1为主模块, 其电流作为基准电流。当从模块2电流与主模块1电流不同时, 比较器输出偏差电压反馈至从模块2中的TPS5430引脚从而对从模块2电流进行调节, 实现主从模块电流一致, 即主从均流。

图4 主从均流电路图

3 系统软件

3.1 脉冲控制软件

如果离散系统中发现脉冲现象, 即系统的状态在某一些时刻发生脉冲跳变, 这种系统被称为脉冲型-离散时间系统, 系统分析这种具有脉冲行为的离散线性系统的稳定性, 并通过软件脉冲控制解决这些脉冲现象。

脉冲型–离散时间线性系统的模型为

式(1)～(2)中: 系数矩阵、为阶的方阵,= 0, 1, 2,…; 在N时刻, 系统状态具有脉冲跳变x(); 离 散时间{N}为系统的脉冲时间, 满足由于本系统设计具有稳定性, 接下来 分析系统具有稳定性的情况。

如果系统(1)具有稳定性时, 讨论系统(1)、(2)在脉冲发生情况下的稳定性问题。

定理1 如果系统(1)、(2)满足条件: (a) 离散时间{N}序列满足(b) 系数矩阵的范数; (c) 系数矩阵满足, 则系统(1)、(2)指数稳定, 即状态()以指数形式收敛到0。

由条件(a)可得≥2, 且由条件(b), 存在一个正整数0和正数＜1, 当＞0时, 有。因此, 由式(3)可得, 当时,

若式(4)中＜1, 当且仅当趋向无穷大,趋向于无穷大, 可得。系统具有稳定性。脉冲控制在MATLAB中的优化结果仿真如图5所示。图5中分别有2个正负干扰信号作用于系统, 在脉冲控制的作用下, 最终都衰减趋于0, 从而保证了系统的稳定性。

图5 脉冲控制干扰量变化曲线

3.2 系统软件主流程

系统通过MSP430单片机将系统的输出电压, 2个模块的电流实时显示出来, 同时还实现软件过流保护。对电压电流采样并进行显示时, 充分利用MSP430单片机的ADC12_A模块资源, ADC12_A模块能够实现12位精度的模数转换, 通过采样数据的比较, 也可以控制其他模块正常运行。主程序流程如图6所示。图6中, 系统首先对单片机初始化, 然后选择端口, 一部分端口进行LCD显示, 一部分端口检测各路采样电阻的采样电压。若正常运行, 则单片机不作为; 若出现干扰且对设备无损坏, 则启动脉冲控制消除干扰; 若出现干扰且损坏设备, 则启动过流保护切断电源, 再延时重合闸, 重新开始运行。

图6 主程序流程

4 系统测试

4.1 负载调整与输出电压测试

当in= 9 V, 负载由1 kΩ减少到8 Ω时, 输出电压(多次测量取平均值)的测试结果如表1所示。

表1 负载调整与输出电压测试

由表1可知, 电压变化最大为0.02 V, 设计要求输出o为 8 V, 相对误差Δ不超过± 0.4 V, 满足设计要求。

4.2 系统效率测试

当输入in= 9 V, 输入电流= 1 028 mA时, 系统效率的检测结果如表2所示。由表2可知, 输出电压o= 7.98 V, 输出电流o= 991 mA, 输出效率已经很高, 满足设计要求。

表2 系统效率检测

4.3 均流测试

在负载电阻很小的情况下, 输出总电流1 A时, 两模块电流依然满足设计要求的1∶1分配, 电流均流测试结果如表3所示。相对误差也在5%(25 mA)范围内, 均流测试结果达到了设计要求。系统A路电流实测效果如图7所示, 系统B路电流实测效果如图8所示, 系统运行显示效果如图9所示。

表3 电流均流测试

图7 系统A路电流实测效果

图8 系统B路电流实测效果

图9 系统运行显示效果

5 结语

本文设计实现了一种基于MSP430和TPS5430的开关电源供电系统, 利用MCU实时监测控制和脉冲控制思想, 实现了系统输出稳定的目的, 把“粗电”转化为“精电”, 为智能微电网的应用增添了新的途径。此外, 本设计只是初步研究开关电源系统, 在今后的研究中还会继续解决以下问题:

(1) 本次设计只是实现了系统1∶1均流, 以后会进一步研究电流均流成比例∶(≠)的情况, 通过软件控制来实现比例均流。

(2) 在系统设计上, 本文着眼于系统具有稳定性的情况进行脉冲控制的, 接下来会进一步研究系统设计上不具有稳定性的情况下进行脉冲控制。

[1] Jin Q, Ruan X, Ren X, et al. High-efficiency switch-linear-hybrid envelope-tracking power supply with step-wave approach [J]. Industrial Electronics, IEEE Transactions on, 2015, 62(9): 5 411–5 421.

[2] Ai X, Xu J J. Study on the microgrid and distribution network co-operation model based on interactive scheduling [J]. Power System Protection and Control, 2013, 41(1): 143–149.

[3] Di Capua G, Femia N. A novel method to predict the real operation of ferrite inductors with moderate saturation in switching power supply applications [J]. Power Electronics, IEEE Transactions on, 2016, 31(3): 2 456–2 464.

[4] Spanik P, Frivaldsky M, Drgona P, et al. Efficiency increase of switched mode power supply through optimization of transistor's commutation mode [J]. Elektronika ir Elektrotechnika, 2015, 105(9): 49–52.

[5] Holt S L, Lynn C F, Parson J M, et al. Burst mode operation of a high peak power high pulse repetition rate capacitor charging power supply [C]// Pulsed Power Conference (PPC), 2015 IEEE, 2015: 1–4.

[6] Herlufsen H, Gade S, Konstantin-Hansen H. Characteristics of the Vold-Kalman order tracking filter [J]. Sound and Vibration, 1999, 33: 34–44.

[7] Wang Z, Zhong D. Progressive switching median filter for the removal of impulse noise from highly corrupted images [J]. Circuits and Systems II: Analog and Digital Signal Processing, IEEE Transactions on, 1999, 46(1): 78–80.

[8] Koyama Y, Arai T, Hasegawa R, et al. One-pulse control for modular multilevel converter based STATCOM [C] //Power Electronics and Applications (EPE'16 ECCE Europe). IEEE, 2016: 1–10.

[9] 占文兵, 王文虎. 基于MSP430单片机的光伏并网模拟装置设计[J]. 湖南文理学院学报(自然科学版), 2016, 28(3): 14–18.

[10] 张军明, 谢小高, 吴新科,等. DC/DC模块有源均流技术研究[J]. 中国电机工程学报, 2005, 19: 31–36.

[11] 马骏, 杜青, 罗军, 等. 一种开关电源并联系统自动均流技术的研究[J]. 电源技术, 2011, 08: 969–971, 973.

[12] Sha J, Xu J, Zhong S, et al. Control pulse combination-based analysis of pulse train controlled DCM switching DC–DC converters [J]. Industrial Electronics, IEEE Transactions on, 2015, 62(1): 246–255.

(责任编校:刘刚毅)

Design ofswitching power supply with parallel network power supply system and optimal control

Wang Zhong, Liu Bin, Huang Jinxia, Zhang Shuyun

(School of Science, Hunan University of Technology, Zhuzhou 412007, China)

Aiming at many distributed power supply units for smart microgrids and their power supply stability is poor and their uses are less, a switching power supply system based on MSP430 and TPS5430 is designed. Hardware system design, using MCU MSP430 chip to constitute the main control system, with BUCK type DC-DC chip TPS5430 to achieve efficient transformation, master-slave current flow method to achieve the current average flow for system, designed a stable, accurate, fast switching power supply optimization control system. Software algorithm design constructed a set of real-time detection and control algorithm, and embedded the theory of pulse control algorithm to optimally deal with system instability caused by system noise and external disturbance. MATLAB simulation and experimental results show that the system has strong anti-interference and output stability.

switching power supply; master-slave current flow; pulse control

10.3969/j.issn.1672–6146.2017.01.011

TP 368; TM 46

A

1672–6146(2017)01–0049–06

王重, 1070768405@qq.com。

2016–09–18

国家自然科学基金资助项目(61673165), 湖南工业大学研究生创新基金资助项目(CX1603)。