CN102130453B - 一种在线并联交流电源模块输出高精度同步信号的方法 - Google Patents

Abstract

一种在线并联交流电源模块输出高精度同步信号的方法，其电源模块包括电源模块1和电源模块2，电源模块1的交流输出电压Vout1正弦波的真实过零点时刻t0与本次执行控制的时刻t2之间存在一个0～50us的随机误差Δt。如果简单地使用输出IO口产生输出同步信号SYN，必然会使该信号与电源模块1的交流输出电压Vout1的真实过零点时刻t0也存在一个0～50us的随机误差Δt。所以，合理的输出同步信号SYN的产生方法是解决问题的关键。本发明所构造的高精度输出同步信号产生的方法，解决了由于输出同步信号产生时引入的随机误差导致的相位抖动现象，提高电源模块间相位一致性，抑制并联环流，显著改善并联系统的工作稳定性和可靠性。

Description

一种在线并联交流电源模块输出高精度同步信号的方法

技术领域

本发明涉及一种在线并联交流电源模块输出高精度同步信号的方法。

背景技术

交流电源模块如果需要相互之间可以在线并联工作，必须保证：

A、各模块的交流输出电压具备相同电压有效值(或者在可以接受范围内)；

B、各模块的交流输出电压具备相同相位(或者在可以接受范围内)。

保证各模块的交流输出电压具备相同电压有效值的方法在此不作描述，本文只详细描述保证各模块的交流输出电压具备相同相位的各种方法。

显然，要做到各模块的交流输出电压的相位一致，必须在模块之间传输反映各并联交流电源模块输出相位的信号，即输出同步信号。这个信号可以是并联系统中各模块都检测的同一电气信号，也可以是在并联系统中专门传输的、各模块都检测的、反映各模块相位信息的电气信号。

现有技术对比技术方案一：

如图1所示，模块1和模块2从交流输入Vin获取能量，各自输出交流电压为Vout1和Vout2，经过各自的输出开关K1和K2并联，最终交流输出电压为Vout，给负载供电。

两个模块的交流输出电压Voutx的相位经过各自模块内部的锁相环的控制作用跟踪共同的交流输入电压Vin的相位，从而实现两个模块的交流输出电压Vout1和Vout2的相位一致。

其缺点是，如果模块没有共同的交流输入电压Vin，例如市电停电时，不能实现两个模块的交流输出电压Vout1和Vout2的相位一致。

现有技术对比技术方案二：

如图2所示，模块1和模块2各自输出交流电压为Vout1和Vout2，经过各自的输出开关K1和K2并联，最终交流输出电压为Vout，给负载供电。两个模块检测最终的交流输出电压Vout的相位。

首先，模块1和模块2各自的输出交流电压Vout1和Vout2维持额定频率(相位不一定相同)；

其次，当最终的交流输出电压Vout不存在时，其中一个模块先闭合其输出开关，例如模块1先闭合其输出开关K1，形成交流输出电压Vout(与Vout1相同)；

然后，模块2检测到交流输出电压Vout的相位后，其交流输出电压Vout2的相位经过模块内部的锁相环的控制作用跟踪交流输出电压Vout的相位，从而实现两个模块的交流输出电压Vout1和Vout2的相位一致；

最后，模块2闭合其输出开关K2，形成最终的交流输出电压Vout。

其缺点是，上述方案必须有一个模块先闭合其输出开关，这样当并联系统总的负载超过单个模块的额定负载时，第一个输出供电的模块会严重过载，直到其它模块相位锁定并输出后才能恢复正常工作。期间第一个输出供电的模块有可能限流、关机保护或者直接损坏。

另外，各模块的交流输出电压Voutx的相位所跟踪的目标Vout实际上与自身有很大耦合关系，类似追逐自己的影子，容易出现最终输出电压Vout的频率漂移等现象。

现有技术对比技术方案三：

如图3所示，模块1和模块2各自输出交流电压为Vout1和Vout2，经过各自的输出开关K1和K2并联，最终交流输出电压为Vout，给负载供电。

两个模块之间引入输出同步信号SYN，该信号由并联系统中的一个模块控制，如模块1。

输出同步信号SYN的相位与模块1的的交流输出电压Vout1的相位关系有两种方案：

A：模块1的交流输出电压Vout1输出额定频率，输出同步信号SYN的相位与模块1的交流输出电压Vout1的相位相同，直接保证模块1的交流输出电压Vout1的相位与输出同步信号SYN的相位相同。

B：模块1控制的输出同步信号SYN输出额定频率，其交流输出电压Vout1的相位经过模块内部的锁相环的控制作用跟踪输出同步信号SYN，间接保证模块1的交流输出电压Vout1的相位与输出同步信号SYN的相位相同。

模块2检测输出同步信号SYN，其交流输出电压Vout2的相位经过模块内部的锁相环的控制作用跟踪输出同步信号SYN，间接保证模块2的交流输出电压Vout2的相位与输出同步信号SYN的相位相同，从而实现两个模块的交流输出电压Vout1和Vout2的相位一致。

上面提到的锁相环均采用数字锁相环，由DSP(数字信号处理器)、MCU(微处理器、单片机)等器件实现。所以输出同步信号的产生和检测也由DSP、MCU完成。在通常的应用中，输出同步信号的产生由上述器件的输出IO口完成，输出同步信号的检测由输入IO口完成，或者由CAP口(捕获口)完成。

其缺点如图4所示，由DSP、MCU等器件实现的的数字锁相环控制器均存在一个采样周期Ts，如：50us，即每50us进行一次数字控制操作(上次执行控制时刻为t1，本次执行控制时刻为t2)。那么，模块交流输出电压的真实过零点时刻t0与本次执行控制的时刻t2之间存在一个0～50us的随机误差Δt。在t2时刻，控制器检测到模块交流输出电压的过零点，并通过输出IO口控制输出同步信号SYN(图4中黑色部分)。该信号与模块交流输出电压的真实过零点时刻t0也存在一个0～50us的随机误差Δt。如果输出同步信号的检测也由输入IO口完成，还会引入一个附加的0～50us的随机误差Δt。如果输出同步信号的检测由CAP口(捕获口)完成，可以认为输出同步信号SYN的上升沿时刻监测是准确无误差的。

对于输出50Hz的交流电源模块而言，50us对应的相位角为0.9°，这个随机误差的干扰会使得锁相环控制器在相位稳定工作点附近来回抖动，可能出现正负100～300us的相位差，即正负1.8～5.4°的相位差。这种抖动会导致并联工作的交流输出模块之间出现显著的并联环流，严重危害了并联系统的工作稳定性和可靠性。所以，高精度的输出同步信号的产生方法对于并联系统至关重要。

发明内容

本发明所述的一种在线并联交流电源模块输出高精度同步信号的方法，解决了由于输出同步信号产生时引入的随机误差导致的相位抖动现象，提高电源模块间相位一致性，抑制并联环流，显著改善并联系统的工作稳定性和可靠性。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：

一种在线并联交流电源模块输出高精度同步信号的方法，其电源模块包括电源模块1和电源模块2，电源模块1的交流输出电压Vout1正弦波的真实过零点时刻t0与本次执行控制的时刻t2之间存在一个0～50us的随机误差Δt。如果简单地使用输出IO口产生输出同步信号SYN，必然会使该信号与电源模块1的交流输出电压Vout1的真实过零点时刻t0也存在一个0～50us的随机误差Δt。所以，合理的输出同步信号SYN的产生方法是解决问题的关键。本发明中同步信号SYN的产生采用了PWM接口(脉宽调制接口)，具体步骤如下：

首先，计算随机误差Δt

在t2时刻，电源模块1的控制器检测到模块交流输出电压Vout1的过零点，在t1时刻交流输出电压Vout1的相位θ1为负，在t2时刻交流输出电压Vout1的相位θ2为负，由于电源模块1的交流输出电压Vout1的相位角θ是按照线性规律周期性地从0°变化到360°，所以可以根据t1、θ1、t2、θ2进行线性插值，求出t0，插值公式如下：

$t0=t1+(t2-t1)\×\frac{\left|{\mathrm{\θ}}_1\right|}{\left|{\mathrm{\θ}}_1\right|+\left|{\mathrm{\θ}}_2\right|}$

随机误差Δt＝t2-t0。

然后输出同步信号SYN，包括

A)根据计算出来的随机误差Δt，将PWM接口的锯齿波计数器当前值CNT赋值为Δt，锯齿波计数器从t2时刻开始从Δt线性递增计数，同时PWM接口产生的输出同步信号SYN发生电平跳变从“0”到“1”；

设定输出同步信号SYN的宽度为Tw，Tw要远大于最大随机误差Δt_max，将Tw赋值给PWM接口的CMPR寄存器；

B)将PWM接口的锯齿波计数器当前值CNT清0，锯齿波计数器从t2时刻开始从0线性递增计数，同时PWM接口产生的输出同步信号SYN发生电平跳变从“0”到“1”；

根据计算出来的随机误差Δt，设定输出同步信号SYN的宽度为Tw-Δt，Tw要远大于最大随机误差Δt_max，将Tw-Δt赋值给PWM接口的CMPR寄存器；

C)随着锯齿波计数器的逐渐增加，当到达波峰时刻t3时，CMPR＝CNT，PWM接口产生的输出同步信号SYN发生电平跳变从“1”到“0”；

显然，当Δt＝0时，输出同步信号SYN的宽度为Tw；当Δt≠0时，输出同步信号SYN的宽度为Tw-Δt。从t0时刻到t3时刻的时间差固定为Tw，说明SYN在t3时刻的电平跳变从“1”到“0”，准确地反映了电源模块1的交流输出电压的相位信息(滞后时间为Tw)；

D)电源模块2采用CAP捕获口精确完成输出同步信号SYN的电平跳变从“1”到“0”的检测，跳变时刻为t3，则电源模块1的交流输出电压的真实过零点时刻t0的计算公式为：

t0＝t3-Tw

电源模块2经过模块内部的锁相环的控制作用使其交流输出电压Vout2的过零点与t0时刻同步，从而实现与电源模块1的交流输出电压Vout1的过零点同步，即实现了电源模块1和电源模块2的交流输出电压Vout1和Vout2的相位一致。

本发明所构造的高精度输出同步信号产生的方法，解决了由于输出同步信号产生时引入的随机误差导致的相位抖动现象，提高电源模块间相位一致性，抑制并联环流，显著改善并联系统的工作稳定性和可靠性。

附图说明

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

图1是现有技术对比技术方案一所述的电源模块的结构图；

图2是现有技术对比技术方案二所述的电源模块的结构图；

图3是现有技术对比技术方案三所述的电源模块的结构图；

图4是现有技术对比技术方案三所述的电源模块输出波形图；

图5是本发明所述的在线并联交流电源模块输出高精度同步信号的方法的控制方法及波形图。

具体实施方式

如图5所示，一种在线并联交流电源模块输出高精度同步信号的方法，其电源模块包括电源模块1和电源模块2，电源模块1的交流输出电压Vout1正弦波的真实过零点时刻t0与本次执行控制的时刻t2之间存在一个0～50us的随机误差Δt。如果简单地使用输出IO口产生输出同步信号SYN，必然会使该信号与电源模块1的交流输出电压Vout1的真实过零点时刻t0也存在一个0～50us的随机误差Δt。所以，合理的输出同步信号SYN的产生方法是解决问题的关键。本发明中同步信号SYN的产生采用了PWM接口(脉宽调制接口)，具体步骤如下：

首先，计算随机误差Δt

在t2时刻，电源模块1的控制器检测到模块交流输出电压Vout1的过零点，在t1时刻交流输出电压Vout1的相位θ1为负，在t2时刻交流输出电压Vout1的相位θ2为负，由于电源模块1的交流输出电压Vout1的相位角θ是按照线性规律周期性地从0°变化到360°，所以可以根据t1、θ1、t2、θ2进行线性插值，求出t0，插值公式如下：

$t0=t1+(t2-t1)\×\frac{\left|{\mathrm{\θ}}_1\right|}{\left|{\mathrm{\θ}}_1\right|+\left|{\mathrm{\θ}}_2\right|}$

随机误差Δt＝t2-t0。

然后输出同步信号SYN，包括：

A)根据计算出来的随机误差Δt，将PWM接口的锯齿波计数器当前值CNT赋值为Δt，锯齿波计数器从t2时刻开始从Δt线性递增计数，同时PWM接口产生的输出同步信号SYN发生电平跳变从“0”到“1”；

设定输出同步信号SYN的宽度为Tw，Tw要远大于最大随机误差Δt_max，将Tw赋值给PWM接口的CMPR寄存器；

B)将PWM接口的锯齿波计数器当前值CNT清0，锯齿波计数器从t2时刻开始从0线性递增计数，同时PWM接口产生的输出同步信号SYN发生电平跳变从“0”到“1”；

根据计算出来的随机误差Δt，设定输出同步信号SYN的宽度为Tw-Δt，Tw要远大于最大随机误差Δt_max，将Tw-Δt赋值给PWM接口的CMPR寄存器；

C)随着锯齿波计数器的逐渐增加，当到达波峰时刻t3时，CMPR＝CNT，PWM接口产生的输出同步信号SYN发生电平跳变从“1”到“0”；

显然，当Δt＝0时，输出同步信号SYN的宽度为Tw；当Δt≠0时，输出同步信号SYN的宽度为Tw-Δt。从t0时刻到t3时刻的时间差固定为Tw，说明SYN在t3时刻的电平跳变从“1”到“0”，准确地反映了电源模块1的交流输出电压的相位信息(滞后时间为Tw)；

D)电源模块2采用CAP(捕获口)精确完成输出同步信号SYN的电平跳变从“1”到“0”的检测，跳变时刻为t3，则电源模块1的交流输出电压的真实过零点时刻t0的计算公式为：

t0＝t3-Tw

电源模块2经过模块内部的锁相环的控制作用使共交流输出电压Vout2的过零点与t0时刻同步，从而实现与电源模块1的交流输出电压Vout1的过零点同步，即实现了电源模块1和电源模块2的交流输出电压Vout1和Vout2的相位一致。

本发明所构造的高精度输出同步信号产生的方法，解决了由于输出同步信号产生时引入的随机误差导致的相位抖动现象，提高电源模块间相位一致性，抑制并联环流，显著改善并联系统的工作稳定性和可靠性。

Claims (3)

1.一种在线并联交流电源模块输出高精度同步信号的方法，其电源模块包括电源模块1和电源模块2，电源模块1的交流输出电压Vout1正弦波的真实过零点时刻t0与本次执行控制的时刻t2之间存在一个0～50us的随机误差Δt，具体步骤如下：

首先，计算随机误差Δt；

然后输出同步信号SYN，包括：

A)根据计算出来的随机误差Δt，将PWM接口的锯齿波计数器当前值CNT赋值为Δt，锯齿波计数器从t2时刻开始从Δt线性递增计数，同时PWM接口产生的输出同步信号SYN发生电平跳变从“0”到“1”；

设定输出同步信号SYN的宽度为Tw，Tw要远大于最大随机误差Δt_max，将Tw赋值给PWM接口的CMPR寄存器；

B)将PWM接口的锯齿波计数器当前值CNT清0，锯齿波计数器从t2时刻开始从0线性递增计数，同时PWM接口产生的输出同步信号SYN发生电平跳变从“0”到“1”；

根据计算出来的随机误差Δt，设定输出同步信号SYN的宽度为Tw-Δt，Tw要远大于最大随机误差Δt_max，将Tw-Δt赋值给PWM接口的CMPR寄存器；

C)随着锯齿波计数器的逐渐增加，当到达波峰时刻t3时，CMPR＝CNT，PWM接口产生的输出同步信号SYN发生电平跳变从“1”到“0”；

D)电源模块2采用CAP捕获口精确完成输出同步信号SYN的电平跳变从“1”到“0”的检测，跳变时刻为t3，则电源模块1的交流输出电压的真实过零点时刻t0的计算公式为：

t0＝t3-Tw。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，计算随机误差时，在t2时刻，电源模块1的控制器检测到模块交流输出电压Vout1的过零点，在t1时刻交流输出电压Vout1的相位θ1为负，在t2时刻交流输出电压Vout1的相位θ2为负，由于电源模块1的交流输出电压Vout1的相位角θ是按照线性规律周期性地从0°变化到360°，所以可以根据t1、θ1、t2、θ2进行线性插值，求出t0，插值公式如下：

$t0=t1+(t2-t1)\×\frac{\left|{\mathrm{\θ}}_1\right|}{\left|{\mathrm{\θ}}_1\right|+\left|{\mathrm{\θ}}_2\right|},$

随机误差Δt＝t2-t0。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当Δt＝0时，输出同步信号SYN的宽度为Tw；当Δt≠0时，输出同步信号SYN的宽度为Tw-Δt。

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