CN101557107B - 模块式直流电源系统的电流控制、系统监控装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块式直流电源系统，包括多个电源模块、一电流侦测模块及一监控模块。每一电源模块分别接收一交流电，并根据一控制数据，将交流电转换为一直流电输出。所有电源模块相互并联，将所产生的直流电共同输出至一负载。电流侦测模块侦测模块式直流电源系统输出至负载的电流值，进而输出一电流侦测值。监控模块接收电流侦测值，与一电流设定值作比较分析，以重设电流设定值，并按照重设的电流设定值，组成另一控制数据，传送至每一电源模块。藉此可使模块式直流电源系统的输出电流值与预期的电流设定值逐步达到一致。

Description

模块式直流电源系统的电流控制、系统监控装置

技术领域

本发明涉及一种模块式直流电源系统，特别是涉及一种模块式直流电源系统的电流控制架构，与相关的系统监控装置。

背景技术

模块式直流电源系统是由多个电源模块并联组成，可视负载端的电力规格，弹性增减电源模块数量，为工业测试设备、电镀设备等大功率系统所普遍采用的电源系统类型。

请参阅图1，该图1为一现有的模块式直流电源系统的系统架构示意图。如图1所示，模块式直流电源系统10包括多个电源模块111～11M与一控制模块13。电源模块111～11M相互并联，耦接于交流电源60与负载70之间，共同接受控制模块13的控制，从交流电源60输入交流电转换为直流电，并将个别所产生直流电共同输出至负载70。

控制模块13为模块式直流电源系统10的控制核心，可与每一电源模块111、...、11M进行数字通讯，传送控制数据。控制模块13可接受外部输入电性设定值，此电性设定值指模组式直流电源系统10输出电力的电压值、电流值及功率值等，根据这些输出电力的电性设定值与所有电源模块数量，分配每一电源模块111、...、11M所应输出的直流电。举例来说，假设系统的输出电流值设定为50安培，则每一电源模块111、...、11M应分别输出(50/M)安培定电流，控制模块13便会组成控制数据，传送至所有电源模块111、...、11M，通知其将输出电力的电流值调整为(50/M)安培。

模块式直流电源系统输出电流值的精度受限于每一电源模块个别的精度。举例来说，假设电源模块的额定输出电流值为50安培，输出精度为0.1％F.S，也就是输出50安培定电流时，会有0.5安培的误差。当模块式直流电源系统需输出1000安培定电流时，必须并联20个电源模块，由于每一电源模块的误差值为0.5安培，因此电源系统的输出电流将会有10安培的误差。10安培的电流误差在输出电流设定为1000安培时，精度为0.1％F.S。然而，当系统设定为低电流输出时，将使得相对误差增大，例如：当设定系统输出电流值为200安培时，实际输出电流值依然存在10安培的误差，相对于200安培的设定值，输出精度将高达5％。

由此可见，现有的模块式直流电源系统存在着低电流误差值相对偏高的缺点，电源模块数量愈多，系统累计误差将随之增加，而低电流输出模式的误差也将连带增大。有鉴于此而提出本案，以克服上述现有技术的缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种模块式直流电源系统及其电流控制方法，与系统监控装置，通过动态侦测模块式直流电源系统输出至负载的电流值，与电流设定值作比较分析，来重设电流设定值，可提高模块式直流电源系统输出电流值的精度。

为了实现上述目的，本发明提供了一种模块式直流电源系统，其特征在于，适用于对一负载提供电力，该模块式直流电源系统包括：

多个电源模块，分别根据一控制数据，将一交流电转换为一直流电输出，这些电源模块相互并联，并耦接于该负载，将个别所产生的直流电，共同输出至该负载；

一电流侦测模块，侦测这些电源模块共同输出至该负载的直流电的电流值，进而输出一电流侦测值；及

一监控模块，耦接于该电流侦测模块，接收该电流侦测值，与一电流设定值作比较分析，以重设该电流设定值，并按照该重设的电流设定值，组成另一控制数据，传送至每一电源模块。

所述的模块式直流电源系统，其中，该电流侦测模块包括：

一电流感测单元，感测这些电源模块共同输出至该负载的直流电的电流值大小，以产生一模拟信号；及

一模拟/数字转换单元，耦接于该电流感测单元，将该模拟信号数字化，以输出该电流侦测值。

所述的模块式直流电源系统，其中，该电流感测单元包括一分流电阻，耦接于这些电源模块的并联端与该负载之间的传输路径，以产生该模拟信号。

所述的模块式直流电源系统，其中，该电流感测单元包括一非接触感测组件，搭载于这些电源模块的并联端与该负载之间的传输路径，以产生该模拟信号。

所述的模块式直流电源系统，其中，该监控模块根据该重设的电流设定值与这些电源模块的数量，计算出每一电源模块的输出电流值，从而组成该另一控制数据。

所述的模块式直流电源系统，其中，该监控模块包括一比例-积分-微分控制器，以根据该电流侦测值及该电流设定值进行比例-积分-微分运算，进而重设该电流设定值。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种系统监控装置，适用于控制多个电源模块，其特征在于，每一电源模块根据一控制数据，转换一交流电为一直流电输出，这些电源模块相互并联，将个别输出的直流电共同输出至一负载，该系统监控装置包括：

一电流侦测模块，侦测这些电源模块共同输出至该负载的直流电的电流值，进而输出一电流侦测值；及

一监控模块，耦接于该电流侦测模块，接收该电流侦测值，与一电流设定值作比较分析，以重设该电流设定值，并按照该重设的电流设定值，组成另一控制数据，传送至每一电源模块。

所述的系统监控装置，其中，该电流侦测模块包括：

一电流感测单元，感测这些电源模块共同输出至该负载的直流电的电流值大小，以产生一模拟信号；及

一模拟/数字转换单元，耦接于该电流感测单元，将该模拟信号数字化，以输出该电流侦测值。

所述的系统监控装置，其中，该电流感测单元包括一分流电阻，耦接于这些电源模块的并联端与该负载之间的传输路径，以产生该模拟信号。

所述的系统监控装置，其中，该电流感测单元包括一非接触感测组件，搭载于这些电源模块的并联端与该负载之间的传输路径，以产生该模拟信号。

所述的系统监控装置，其中，该监控模块根据该重设的电流设定值与这些电源模块的数量，计算出每一电源模块的输出电流值，从而组成该另一控制数据。

所述的系统监控装置，其中，该监控模块包括一比例-积分-微分控制器，以根据该电流侦测值及该电流设定值进行比例-积分-微分运算，进而重设该电流设定值。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种模块式直流电源系统的电流控制方法，其特征在于，适用于一具有多个电源模块的模块式直流电源系统，其中这些电源模块相互并联，并耦接于一负载，该电流控制方法包括下列步骤：

a，接收一电流设定值；

b，根据该电流设定值，组成一控制数据传送至每一电源模块；

c，这些电源模块分别根据该控制数据，输出一直流电，并将个别产生的直流电共同输出至该负载；

d，侦测这些电源模块共同输出至该负载的直流电的电流值大小，以取得一电流侦测值；及

e，比较与分析该电流侦测值与该电流设定值，以重设该电流设定值，并回到步骤b。

所述的电流控制方法，其中，在步骤b中，根据该电流设定值以及这些电源模块的数量，计算出每一电源模块的输出电流值，从而组成该控制数据。

所述的电流控制方法，其中，在步骤e中，当该电流侦测值低于该电流设定值时，加大该电流设定值，当该电流侦测值高于该电流设定值时，减小该电流设定值。

所述的电流控制方法，其中，在步骤e中，根据该电流侦测值与该电流设定值进行比例-积分-微分演算，以重设该电流设定值。

因此，本发明所提供的模块式直流电源系统及其电流控制方法，与系统监控装置，通过动态地侦测输出至负载的电力的电流值，与电流设定值作比较分析，来重设电流设定值，将使得输出电流值与预期的电流设定值逐步达到一致，可达到提高模块式直流电源系统输出电流值精度的功效，并同时消弭现有低电流输出模式误差偏高的问题。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为一现有的模块式直流电源系统的系统架构示意图；

图2为本发明所提供的模块式直流电源系统的系统架构示意图；

图3及图4分别为本发明所提供的模块式直流电源系统的一具体实施例的结构示意图以及系统架构示意图；

图5为本发明所提供的模块式直流电源系统的电流控制方法的步骤流程图；

其中，附图标记：

10、20、30：模块式直流电源系统

111～11M、211～21N、311～31K：电源模块

13：控制模块

23、35：电流侦测模块

25、37：监控模块

300：电源柜

310：模块式电源供应器

33：系统监控装置

351：电流感测单元

353：模拟/数字转换单元

70、90：负载

60、80：交流电源

S100～S108：各个步骤流程

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。

本发明提供一种模块式直流电源系统的电流控制架构，通过动态侦测模块式直流电源系统输出至负载的电流值，与电流设定值作比较分析，来重设电流设定值，能够使得模块式直流电源系统的输出电流值与预期的电流设定值逐步达到一致，以提高输出电流精度。

首先，请参阅图2，该图为本发明所提供的模块式直流电源系统的系统架构示意图。如图2所示，模块式直流电源系统20耦接于一交流电源80与一负载90之间，可将交流电源80的交流电转换为直流电，输出至负载90。模块式直流电源系统20包括多个电源模块211～21N、一电流侦测模块23及一监控模块25。

电源模块211～21N相互并联，耦接于交流电源80与负载90之间，根据监控模块25所传送的控制数据，将交流电源80输入的交流电转换为一直流电输出。所有电源模块211～21N个别所产生的直流电将共同输出至负载90。

监控模块25为模块式直流电源系统20的控制核心，可与电源模块211～21N进行数字通讯，以传送控制数据来控制电源模块211～21N输出电力的电压值、电流值与功率值等电性参数。所述的数字通讯可通过CAN BUS、RS232、RS485、GPIB等有线通讯接口，或短距无线局域网络作通讯，惟其非关本发明所欲传达的主要技术，因此将不多作赘述。

一般而言，监控模块25具有控制面板，可接受外部输入各项设定参数；实务上，也可经由远程计算机作控制，输入设定参数。外部操作者可将预期模块式直流电源系统20输出电力的电流设定值、电压设定值及功率设定值等参数输入监控模块25，监控模块25将会根据这些设定值以及电源模块数量等信息，分配每一电源模块211、...、21N所应输出的直流电，并据此组成一控制数据传送到所有电源模块211～21N。具体来说，假设预期的电流设定值为I_set，那么每一电源模块211、...、21N个别的输出电流应为(I_set/N)，监控模块25按照这个数据组成控制数据，传送到所有电源模块211～21N，以控制其输出电流值。

电流侦测模块23耦接于电源模块211、...、21N的并联端与负载90之间的传输路径，以感测模块式直流电源系统20输出至负载90的电流值，进而根据侦测到的电流值大小，输出一电流侦测值。监控模块25耦接于电流侦测模块23，接收电流侦测值，并对电流侦测值与电流设定值作比较分析，以重设电流设定值。监控模块25并按照重设的电流设定值，组成另一控制数据，输出至电源模块211、...、21N。简单来说，当电流侦测值高于电流设定值时，将降低/减小电流设定值；当电流侦测值低于电流设定值时，将提高/加大电流设定值；使电源模块211、...、21N根据重新设定的电流设定值运作，减少电流值误差。如此周而复始地重复上述步骤，将使得模块式直流电源系统20的输出电流值逐步逼近原来所预期的电流设定值。

举例来说，假设最初接收到的电流设定值为200安培，而电流侦测值为204安培，监控模块25取得电流侦测值与电流设定值作比较运算，电流侦测值比电流设定值高出4安培。监控模块25将根据计算出的差值，重新设定另一低于200安培的电流设定值，再根据重设的电流设定值，分配每一电源模块211、...、21N的输出电流值，组成控制数据传送到所有电源模块211～21N。持续进行上述步骤，将使得总体输出电流值逐渐逼近200安培。

实务上，监控模块25可利用微控制器来实现上述机能。于一具体实施例，监控模块25包括一比例-积分-微分(Proportional-Integral-Derivative，PID)控制器，根据电流侦测值及电流设定值进行比例-积分-微分运算，来重设电流设定值。以下为一比例-积分-微分演算式实例：

$I_{\mathrm{set}}\left[n\right]=K_{p}e\left[n\right]+\frac{K_p{K}_s}{T_i}\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}e\left[i\right]+K_p{T}_d\frac{e\left[n\right]-e[n-1]}{T_s}...\left(1\right)$

以上演算式(1)中，I_set[n]为电流设定值；I_sense[n]为电流侦测值；e[n]＝I_set[n]-I_sense[n]，亦即电流侦测值与电流设定值的差值；K_p为乘积常数；K_s为取样时间常数；T_i为积分时间常数；T_d为微分时间常数；T_s为取样周期。

而每一电源模块211、...、21N的电流值I_setN表达式则为：

$I_{\mathrm{setN}}\left[n\right]=\frac{I_{\mathrm{set}}\left[n\right]}{N}...\left(2\right)$

监控模块25取得电流侦测值I_sense[n]后，计算出电流侦测值I_sense[n]与电流设定值I_set[n]的差值e[n]，代入演算式求得另一电流设定值I_set[n]，再根据电流设定值I_set[n]与电源模块数量，计算出每一电源模块211、...、21N的输出电流值I_setN，组成控制数据传送到电源模块211～21N。

必须强调的是，除了比例-积分-微分控制器之外，实务上亦可运用模糊(Fuzzy)控制、强健(Robust)控制等方式来达成监控模块25对电流值的监控机能。上述比例-积分-微分演算控制仅用于阐明本发明的具体概念，然其并非用以限制本发明的范围。

接着，对硬件架构作进一步的说明。请参阅图3及图4，该二个图分别为一模块式直流电源系统的结构示意图以及系统架构示意图。

如图3所示，模块式直流电源系统30通常具有一内部设有配电线路的电源柜300，用以收纳电源模块311、312、...、31K，以及一系统监控装置33。系统监控装置33根据外部设定，输出控制数据控制所有电源模块311～31K。每一电源模块311、...、31K是由多个可抽取的模块式电源供应器310共同组成，并具有个别的通讯端口与控制核心，从系统监控装置33端接受控制数据，控制所具有的模块式电源供应器310将交流电源80提供的交流电，转换为符合需求的直流电，再共同输出驱动负载90。

图3、图4的实施例中，将图2的电流侦测模块23与监控模块25整合于同一装置内部。系统监控装置33具有一电流侦测模块35以及一监控模块37。监控模块37对电源模块311～31K作控制。电流侦测模块35包括有一电流感测单元351与一模拟/数字转换单元353。电流感测单元351耦接于电源模块311～31K并联端与负载90之间的传输路径，感测流经这个路径的电流值大小，以产生一模拟信号。模拟/数字转换单元353耦接于电流感测单元351，将模拟信号数字化，从而产生电流侦测值输出至监控模块37。监控模块37再比较分析电流侦测值与电流设定值，来设定另一电流设定值，重新组成控制数据，输出至电源模块311～31K。

电流感测单元351可利用分流电阻耦接在测量端的传输路径上，来取得可反应电流值大小的模拟信号；或者利用非接触式感测组件(例如：比流器、磁阻组件、霍尔组件等)搭载于测量端的传输路径，以取得这个模拟信号。其后端的模拟信号处理与数字化机制为现有，故不再作赘述。

以下是提出一电流控制方法来归纳上述模块式直流电源控制系统的电流控制方式。请参阅图5，该图为本发明所提供的模块式直流电源系统的电流控制方法的步骤流程图。其中相关的系统架构，请同时参阅图2。如图5所示，所述的电流控制方法包括下列步骤：

步骤S100，首先，监控模块25接收外部所输入的电流设定值；

步骤S102，其次，监控模块25再根据电流设定值，组成一控制数据输出至每一电源模块211、...、21N；

步骤S104，其后，电源模块211～21N分别根据控制数据，输出一直流电，所有电源模块211～21N个别所产生的直流电共同输出至负载90；

步骤S106，其后，电流侦测模块23侦测所有电源模块211～21N共同并联输出至负载90的直流电的电流值，以取得一电流侦测值，并将此电流侦测值输出至监控模块25；

步骤S108，其后，监控模块25比较与分析电流侦测值与电流设定值，以重设电流设定值；及

接着，回到步骤S102，监控模块25根据重设的电流设定值，组成控制数据，输出至每一电源模块(211、...、21N)。如此一来，将使得模块式直流电源系统20的输出电流值与预期的电流设定值逐渐达到一致。

步骤S102中，监控模块25是根据电流设定值与电源模块数量，计算出其个别的输出电流，从而组成控制数据。

于一具体实施例，步骤S108中，当电流侦测值高于电流设定值时，将降低电流设定值；当电流侦测值低于电流设定值时，将提高电流设定值；使电源模块211、...、21N根据重新设定的电流设定值运作，减少电流值误差。

于再一具体实施例，步骤S108利用比例-积分-微分控制演算，来重设电流设定值。按，比例-积分-微分演算方式之前已举实例作详述，先取得电流侦测值与电流设定值的差值，再代入一比例-积分-微分演算式，求得另一电流设定值。

通过以上实例详述，当可知悉本案的模块式直流电源系统的电流控制，借着动态侦测输出至负载的电流值，与电流设定值作比较分析，来重设电流设定值，将使得输出电流值与预期的电流设定值逐步达到一致，从而达到提高模块式直流电源系统输出电流值精度的功效。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (13)

1.一种模块式直流电源系统，其特征在于，适用于对一负载提供电力，该模块式直流电源系统包括：

多个电源模块，分别根据一控制数据，将一交流电转换为一直流电输出，这些电源模块相互并联，并耦接于该负载，将分别所产生的直流电，共同输出至该负载；

一电流侦测模块，侦测这些电源模块共同输出至该负载的直流电的电流值，进而输出一电流侦测值；及

一监控模块，耦接于该电流侦测模块，接收该电流侦测值，与一电流设定值作比较分析，以重设该电流设定值，并按照该重设的电流设定值，组成另一控制数据，传送至每一电源模块；

其中，该监控模块根据该重设的电流设定值与这些电源模块的数量，计算出每一电源模块的输出电流值，从而组成该另一控制数据。

2.根据权利要求1所述的模块式直流电源系统，其特征在于，该电流侦测模块包括：

一电流感测单元，感测这些电源模块共同输出至该负载的直流电的电流值大小，以产生一模拟信号；及

一模拟/数字转换单元，耦接于该电流感测单元，将该模拟信号数字化，以输出该电流侦测值。

3.根据权利要求2所述的模块式直流电源系统，其特征在于，该电流感测单元包括一分流电阻，耦接于这些电源模块的并联端与该负载之间的传输路径，以产生该模拟信号。

4.根据权利要求2所述的模块式直流电源系统，其特征在于，该电流感测单元包括一非接触感测组件，搭载于这些电源模块的并联端与该负载之间的传输路径，以产生该模拟信号。

5.根据权利要求1所述的模块式直流电源系统，其特征在于，该监控模块包括一比例-积分-微分控制器，以根据该电流侦测值及该电流设定值进行比例-积分-微分运算，进而重设该电流设定值。

6.一种系统监控装置，适用于控制多个电源模块，其特征在于，每一电源模块根据一控制数据，转换一交流电为一直流电输出，这些电源模块相互并联，将分别输出的直流电共同输出至一负载，该系统监控装置包括：

一电流侦测模块，侦测这些电源模块共同输出至该负载的直流电的电流值，进而输出一电流侦测值；及

一监控模块，耦接于该电流侦测模块，接收该电流侦测值，与一电流设定值作比较分析，以重设该电流设定值，并按照该重设的电流设定值，组成另一控制数据，传送至每一电源模块；

其中，该监控模块根据该重设的电流设定值与这些电源模块的数量，计算出每一电源模块的输出电流值，从而组成该另一控制数据。

7.根据权利要求6所述的系统监控装置，其特征在于，该电流侦测模块包括：

一电流感测单元，感测这些电源模块共同输出至该负载的直流电的电流值大小，以产生一模拟信号；及

一模拟/数字转换单元，耦接于该电流感测单元，将该模拟信号数字化，以输出该电流侦测值。

8.根据权利要求7所述的系统监控装置，其特征在于，该电流感测单元包括一分流电阻，耦接于这些电源模块的并联端与该负载之间的传输路径，以产生该模拟信号。

9.根据权利要求7所述的系统监控装置，其特征在于，该电流感测单元包括一非接触感测组件，搭载于这些电源模块的并联端与该负载之间的传输路径，以产生该模拟信号。

10.根据权利要求6所述的系统监控装置，其特征在于，该监控模块包括一比例-积分-微分控制器，以根据该电流侦测值及该电流设定值进行比例-积分-微分运算，进而重设该电流设定值。

11.一种模块式直流电源系统的电流控制方法，其特征在于，适用于一具有多个电源模块的模块式直流电源系统，其中这些电源模块相互并联，并耦接于一负载，该电流控制方法包括下列步骤：

a，接收一电流设定值；

b，根据该电流设定值，组成一控制数据传送至每一电源模块；

c，这些电源模块分别根据该控制数据，输出一直流电，并将分别产生的直流电共同输出至该负载；

d，侦测这些电源模块共同输出至该负载的直流电的电流值大小，以取得一电流侦测值；及

e，比较与分析该电流侦测值与该电流设定值，以重设该电流设定值，并回到步骤b；

其中，在步骤b中，根据该电流设定值以及这些电源模块的数量，计算出每一电源模块的输出电流值，从而组成该控制数据。

12.根据权利要求11所述的电流控制方法，其特征在于，在步骤e中，当该电流侦测值低于该电流设定值时，加大该电流设定值，当该电流侦测值高于该电流设定值时，减小该电流设定值。

13.根据权利要求11所述的电流控制方法，其特征在于，在步骤e中，根据该电流侦测值与该电流设定值进行比例-积分-微分演算，以重设该电流设定值。

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