多路数控精密开关电源的控制系统研究
摘要
开关电源克服了传统线性电源体积笨重、效率低的缺点，从而在电力传动、微型计算机、家用电器、通讯电源等领域中得到广泛应用。然而，因输出精度较低、有开关纹波等因素，在仪用电源方面目前还不能完全代替线性电源。为此，采用数字式控制来提高开关电源的性能是精密电源的一大发展方向。本文将以一体化多路精密开关电源为例，研究数字化精密电源模块控制的几个关键技术。
针对系统任务控制特点，构建了双CPU双口RAM系统，实现多路精密参考信号的计算、同步输出及串行通信、直流母线调节和智能分档的多任务控制。利用双口RAM进行数据交换，提高了系统数据通信的可靠性和实时响应速度。母线电压的跟随调节与采样电压分级调节(智能分档)均有效地利用了软、硬件资源，使系统性能大有改善。
对于双CPU数据交换及与PC间的通信采用了独特的协议，来提高系统的效率和可靠性。双CPU间采取的FIFO(First In First Out)模式与双口RAM模式相结合的数据交换协议，结合了硬件判优利软件仲裁的优势，对双机通信及时序进行协调，逻辑严谨，可靠性好。串行通信协议中短小帧的使用使数据包结构清晰，提高了程序执行效率。而完善的纠错体系使得数据传送错误的可能性也大为降低。
从合理利用系统资源的角度对应用于高精度交流电源的参考信号发生策略进行了探讨。通过对计数器输出法、基于锁相环单片机合成及基于DDS(Direct Digital Synthesization)的单片机合成几种方法的讨论，引出一种基于DDS的虚拟空间法，将时间上所面临的问题转化到内存空间上进行处理，极大地提高了交流电源的调频、移相精度。另外这个策略还具有可以产生谐波和任意波形的优势。
以上方案在高精度多路数控开关电源课题的研究和开发中得到了验证，展示了其可行性和优越性。
Having overcome the disadvantages of ponderous, inefficient linear power source, switch power supplies are widely applied in power motion, industrial, communication, PC, office and family electronics equipment etc. But the ripple and low precision make it impossible to replace linear power source completely. Digital control can improve the performance of switch converter and is one of the directions of precise source. A high performance integrate multi-output switch power supply is used as an example to illustrate the main techniques of digital controlled intelligent source module.
According to the control requirement, a dual-CPU-dual-RAM-based control system completes the calculation, outputs synchronization of multi-signal reference source, the serial communication, the adjustment of DC bus and the intelligent gradation. Dual RAM can improve the reliability and real-time response speed. At the same time, the following-adjustment and sampling resistor gradation make full use of software and hardware, and give great help to the high resolution.
Two sets of unique protocol are used in dual-CPU data exchange and SC (Serial Communication) with PC to ensure the efficiency and reliability. FIFI (First In First Out) & dual-RAM protocol combining the advantages of hardware detection and software judge harmonizes the time sequence with high security. Short frames in SC protocol make the data construction clear and easy to be identified. At the same time, the perfect fault-correction system reduces the possibility of data transfer error.
A signal-generated scheme that is used in high solution AC source is presented based on the reasonable usage of system source. By discussing the methods of counter-output, PLL (Phase-Locked Loop) -output and DDS (Direct Digital Synthesization) -output, DDS -based dummy-space method is brought out and it converts the time problem into space, improves the resolution of both frequency and phase-shift. Harmonic can also be generated by this way.
The schemes above are used in a high resolution Multi-output Digital Control Switch Converter: ultimately test their feasibility and superiority.
针对系统任务控制特点，构建了双CPU双口RAM系统，实现多路精密参考信号的计算、同步输出及串行通信、直流母线调节和智能分档的多任务控制。利用双口RAM进行数据交换，提高了系统数据通信的可靠性和实时响应速度。母线电压的跟随调节与采样电压分级调节(智能分档)均有效地利用了软、硬件资源，使系统性能大有改善。
对于双CPU数据交换及与PC间的通信采用了独特的协议，来提高系统的效率和可靠性。双CPU间采取的FIFO(First In First Out)模式与双口RAM模式相结合的数据交换协议，结合了硬件判优利软件仲裁的优势，对双机通信及时序进行协调，逻辑严谨，可靠性好。串行通信协议中短小帧的使用使数据包结构清晰，提高了程序执行效率。而完善的纠错体系使得数据传送错误的可能性也大为降低。
从合理利用系统资源的角度对应用于高精度交流电源的参考信号发生策略进行了探讨。通过对计数器输出法、基于锁相环单片机合成及基于DDS(Direct Digital Synthesization)的单片机合成几种方法的讨论，引出一种基于DDS的虚拟空间法，将时间上所面临的问题转化到内存空间上进行处理，极大地提高了交流电源的调频、移相精度。另外这个策略还具有可以产生谐波和任意波形的优势。
以上方案在高精度多路数控开关电源课题的研究和开发中得到了验证，展示了其可行性和优越性。
Having overcome the disadvantages of ponderous, inefficient linear power source, switch power supplies are widely applied in power motion, industrial, communication, PC, office and family electronics equipment etc. But the ripple and low precision make it impossible to replace linear power source completely. Digital control can improve the performance of switch converter and is one of the directions of precise source. A high performance integrate multi-output switch power supply is used as an example to illustrate the main techniques of digital controlled intelligent source module.
According to the control requirement, a dual-CPU-dual-RAM-based control system completes the calculation, outputs synchronization of multi-signal reference source, the serial communication, the adjustment of DC bus and the intelligent gradation. Dual RAM can improve the reliability and real-time response speed. At the same time, the following-adjustment and sampling resistor gradation make full use of software and hardware, and give great help to the high resolution.
Two sets of unique protocol are used in dual-CPU data exchange and SC (Serial Communication) with PC to ensure the efficiency and reliability. FIFI (First In First Out) & dual-RAM protocol combining the advantages of hardware detection and software judge harmonizes the time sequence with high security. Short frames in SC protocol make the data construction clear and easy to be identified. At the same time, the perfect fault-correction system reduces the possibility of data transfer error.
A signal-generated scheme that is used in high solution AC source is presented based on the reasonable usage of system source. By discussing the methods of counter-output, PLL (Phase-Locked Loop) -output and DDS (Direct Digital Synthesization) -output, DDS -based dummy-space method is brought out and it converts the time problem into space, improves the resolution of both frequency and phase-shift. Harmonic can also be generated by this way.
The schemes above are used in a high resolution Multi-output Digital Control Switch Converter: ultimately test their feasibility and superiority.
引文
[01] 正弦波逆变电源的数字控制技术，谢力华等，电力电子技术，2001．12，pp52-55
[02] 电力电子中的数字化控制技术，吕征宇等，机电工程，2001．10，pp1-4
[03] 近十年我国电力电子领域的新进展及未来主要研究课题，赵良炳，第十四届全国电源技术年会论文集，pp9-11
[04] 智能功率开关技术的发展，黄汉生，第十四届全国电源技术年会论文集，pp21-26
[05] 一种高精度直流高压稳压电源，陆荣庆等，电测与仪表，1989．4，pp15
[06] 双微机控制的正弦波输出交—交变频器低频电源，于广庆等，电气传动自动化，1998．2，pp6-10
[07] 智能型高频开关直流电源的应用，刘建明等，四川电力技术，1999．4，pp58-60
[08] JCD系列精密测试电源，冯井岗，电测与仪表，1990．5，pp28-31
[09] 程控三相精密线性功率源的设计，李桂祥等，电源技术应用，2002．3，pp66-68
[10] 一种精密线性功率电流源的研制，王玉斌等，电测与仪表，2001．3，pp5-6，15
[11] 一种智能化的程控精密交流电源，杨为清等，电子产品世界，1999．10，pp52-53
[12] AN5250及其在交流稳压电源中的应用，陈国杰，国外电子元器件，2002．6，pp27-28
[13] 一种新型测试电源的研究，王广柱等，电工电能新技术，1999．1，pp
[14] 单相大功率三电平数字可编程电源及谐波发生器，唐伏良等，电工技术杂志，2000．11，pp1-3
[15] 脉宽调制式三相功率源的研制，王广柱等，计量学报，1998．7，pp165-169
[16] 一种高性能逆变电流源的分析与设计，王广柱等，电机与控制学报，1998．9，pp186-189
[17] Youichi Ito, Shoichi Kawauchi. Microprocessor-based robust digital control for UPS with three-phase PWM inverter. IEEE Trans on Power Electron,1995,10(2):pp196～203
[18] 一种新颖的精密陀螺电源，江涛等，电源技术应用，2000．3，pp109-110，105
[19] 用单片机实现谐波的叠加与发生，吴建军等，机车电拖动，2001．7，pp37-40
[20] 微机型继电保护测试系统的研制，王玉斌等，继电器，2000．2，pp44-46
[21] 微机型继电保护测试装置的功能与现状，金明等，继电器，2001．3，pp1-4
[22] 新一代微机继电保护测试仪及其基本性能，陈皓，电力自动化设备，2002．5，pp61-63
[23] DSP在继电保护测试装置中的开发与应用，王晓芳等，船电技术，2000．6，pp21-23
[24] Advanced Regular-sampled PWM Control Techniques for Drives and Static Power Converters, Bowes S. R.,[J].IEEE Trans.on Industrial Electronics,1995,Vol.42,No.4,pp,367-373
[25] 《电力电子电路》，林渭勋，浙江大学出版社，1986
[26] 《电力电子技术基础》，林渭勋，浙江大学出版社，1990
[27] 《开关电源的原理与设计》，张占松、蔡宣三，电子工业出版社，1998
[28] 一种单相和三相基准正弦波发生器，肖岚等，电力电子技术，1999．12，pp37-38
[29] 数字式频率与波形合成技术及其应用，史国炜等，航空计测技术，2001．1，pp13-15
[30] 基于锁相技术的幅值相位可调电源的研制，郑益慧等，电工电能新技术，2002．7，pp77-80
[31] 基于DDS的超声电机驱动电源，周斌等，压电与声光，2002．6，pp202-204
[32] 数控精密交流电源高精度参考基准源的研究，雷娜，硕士学位论文，pp32-34
[33] JCD4060三相谐波测试电源，刘俊忠，电测与仪表，1991，5，pp49-51
[34] 双口RAM IDT7130在全数字化交流调速系统中的应用，詹长江等，电子技术应用，1996．10，pp46-48
[35] 双CPU技术在分布式电能计量计费系统分机中的应用，李国洪等，电测与仪表，2000．8，pp51-53
[36] 双CPU电力直流电源系统控制器，魏幼平等，电力自动化设备，2001．12，pp37-39
[37] 80C196KB USER S GUIDE, 1996
[38] 《Intel 16位单片机》，孙涵芳等，北京航空航天大学出版社
[39] 《单片机外围器件使用手册存储器分册》，窦振中，北京航空航天大学出版社
[40] 《A/D、D/A转换器接口技术与实用线路》，杨振江，西安电子科技大学出版社
[41] 《RS-232C应用技巧与实例》，秦青，海洋出版社
[42] 《微控制器(单片机)抗干扰能力与电磁兼容性》，邵贝贝，电子技术，1996(11)
[43] 《电力电子系统电磁兼容设计基础及干扰抑制技术》，钱照明，浙江大学出版社
[44] A Method to Measure EMI Due to Electric Field Coupling on PCB,Pong M H,Lee C ., Proceedings of PCC'97,Japan,1997,pp1007-1002
[45] 《单片机应用系统抗干扰技术》，王幸之等，北京航空航天大学出版社，2000
[46] 《单片机系统的电磁兼容性技术》，李根，电子技术，1998年第11期
[47] 《单片机软件抗干扰探讨》，陈亿善，电子技术，1999年第1期
[48] 《Printed Circuit Board Design Techniques for EMC Compliance》, Mark I.Montrose,Sponsorship of the IEEE Electromagnetic Compatibility Society,1996
[49] 智能直流高频开关电源系统微机监控模块的研制，吕勇军等，国外电子元器件，2002．5，pp23-25
[02] 电力电子中的数字化控制技术，吕征宇等，机电工程，2001．10，pp1-4
[03] 近十年我国电力电子领域的新进展及未来主要研究课题，赵良炳，第十四届全国电源技术年会论文集，pp9-11
[04] 智能功率开关技术的发展，黄汉生，第十四届全国电源技术年会论文集，pp21-26
[05] 一种高精度直流高压稳压电源，陆荣庆等，电测与仪表，1989．4，pp15
[06] 双微机控制的正弦波输出交—交变频器低频电源，于广庆等，电气传动自动化，1998．2，pp6-10
[07] 智能型高频开关直流电源的应用，刘建明等，四川电力技术，1999．4，pp58-60
[08] JCD系列精密测试电源，冯井岗，电测与仪表，1990．5，pp28-31
[09] 程控三相精密线性功率源的设计，李桂祥等，电源技术应用，2002．3，pp66-68
[10] 一种精密线性功率电流源的研制，王玉斌等，电测与仪表，2001．3，pp5-6，15
[11] 一种智能化的程控精密交流电源，杨为清等，电子产品世界，1999．10，pp52-53
[12] AN5250及其在交流稳压电源中的应用，陈国杰，国外电子元器件，2002．6，pp27-28
[13] 一种新型测试电源的研究，王广柱等，电工电能新技术，1999．1，pp
[14] 单相大功率三电平数字可编程电源及谐波发生器，唐伏良等，电工技术杂志，2000．11，pp1-3
[15] 脉宽调制式三相功率源的研制，王广柱等，计量学报，1998．7，pp165-169
[16] 一种高性能逆变电流源的分析与设计，王广柱等，电机与控制学报，1998．9，pp186-189
[17] Youichi Ito, Shoichi Kawauchi. Microprocessor-based robust digital control for UPS with three-phase PWM inverter. IEEE Trans on Power Electron,1995,10(2):pp196～203
[18] 一种新颖的精密陀螺电源，江涛等，电源技术应用，2000．3，pp109-110，105
[19] 用单片机实现谐波的叠加与发生，吴建军等，机车电拖动，2001．7，pp37-40
[20] 微机型继电保护测试系统的研制，王玉斌等，继电器，2000．2，pp44-46
[21] 微机型继电保护测试装置的功能与现状，金明等，继电器，2001．3，pp1-4
[22] 新一代微机继电保护测试仪及其基本性能，陈皓，电力自动化设备，2002．5，pp61-63
[23] DSP在继电保护测试装置中的开发与应用，王晓芳等，船电技术，2000．6，pp21-23
[24] Advanced Regular-sampled PWM Control Techniques for Drives and Static Power Converters, Bowes S. R.,[J].IEEE Trans.on Industrial Electronics,1995,Vol.42,No.4,pp,367-373
[25] 《电力电子电路》，林渭勋，浙江大学出版社，1986
[26] 《电力电子技术基础》，林渭勋，浙江大学出版社，1990
[27] 《开关电源的原理与设计》，张占松、蔡宣三，电子工业出版社，1998
[28] 一种单相和三相基准正弦波发生器，肖岚等，电力电子技术，1999．12，pp37-38
[29] 数字式频率与波形合成技术及其应用，史国炜等，航空计测技术，2001．1，pp13-15
[30] 基于锁相技术的幅值相位可调电源的研制，郑益慧等，电工电能新技术，2002．7，pp77-80
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[32] 数控精密交流电源高精度参考基准源的研究，雷娜，硕士学位论文，pp32-34
[33] JCD4060三相谐波测试电源，刘俊忠，电测与仪表，1991，5，pp49-51
[34] 双口RAM IDT7130在全数字化交流调速系统中的应用，詹长江等，电子技术应用，1996．10，pp46-48
[35] 双CPU技术在分布式电能计量计费系统分机中的应用，李国洪等，电测与仪表，2000．8，pp51-53
[36] 双CPU电力直流电源系统控制器，魏幼平等，电力自动化设备，2001．12，pp37-39
[37] 80C196KB USER S GUIDE, 1996
[38] 《Intel 16位单片机》，孙涵芳等，北京航空航天大学出版社
[39] 《单片机外围器件使用手册存储器分册》，窦振中，北京航空航天大学出版社
[40] 《A/D、D/A转换器接口技术与实用线路》，杨振江，西安电子科技大学出版社
[41] 《RS-232C应用技巧与实例》，秦青，海洋出版社
[42] 《微控制器(单片机)抗干扰能力与电磁兼容性》，邵贝贝，电子技术，1996(11)
[43] 《电力电子系统电磁兼容设计基础及干扰抑制技术》，钱照明，浙江大学出版社
[44] A Method to Measure EMI Due to Electric Field Coupling on PCB,Pong M H,Lee C ., Proceedings of PCC'97,Japan,1997,pp1007-1002
[45] 《单片机应用系统抗干扰技术》，王幸之等，北京航空航天大学出版社，2000
[46] 《单片机系统的电磁兼容性技术》，李根，电子技术，1998年第11期
[47] 《单片机软件抗干扰探讨》，陈亿善，电子技术，1999年第1期
[48] 《Printed Circuit Board Design Techniques for EMC Compliance》, Mark I.Montrose,Sponsorship of the IEEE Electromagnetic Compatibility Society,1996
[49] 智能直流高频开关电源系统微机监控模块的研制，吕勇军等，国外电子元器件，2002．5，pp23-25