CN105186855A - 电源控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电源控制系统，包括：供电模块、数字信号处理模块、逻辑控制模块、数字开关量模块、功率管驱动模块、电能变换模块、电源输出模块。相应地，本发明还公开了上述电源控制系统的控制方法。本发明的电源控制系统及控制方法为金属表面处理领域提供高能量转换效率、低能耗、低总谐波失真度、高品质电能输出。

Description

电源控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及电源输出控制，特别涉及一种具有多种波形输出的电源控制系统及控制方法，可应用于金属表面处理领域。

背景技术

现有的大功率金属表面处理电源控制系统，主要由专用PWM调制芯片，例如：TL494、SG3525、UCC2895等，模拟PID调节器，D/A数模转换板、单片机通讯板、单片机并机板、数字量I/O板、功率管驱动板等辅助电路组成，该控制系统主要是用于控制电源设备输出纯直流、脉动直流，从某种程度上讲，该控制系统相对可靠性较高，至今大部分金属表面处理电源生产厂家仍然延续该控制系统，但随着金属表面处理工艺对金属表面处理电源要求不断提高，要求设备能够兼具输出纯直流、脉动直流、正负双脉冲、多波形、多功能大功率电能时，受制于专用PWM(Pulse-WidthModulation，脉宽调制)调制芯片输出PWM波单一特性，而无法满足兼具输出多种波形、多功能电能的金属表面处理生产工艺要求；其次，其实现大功率输出是通过并机完成，由单片机均流板控制，只能在恒流工作模式时实现均流，恒压状态不能实现均流，并且恒流工作模式下均流平衡度低、动态响应差，导致无法实现真正意义上的大功率输出；再次，控制方式大部分是通过模拟PID(Proportionalintegralderivative,比例-积分-微分)实现，元器件电气特性受环境影响很大，尤其是电容器，使已整定好的控制参数变化，使输出电能品质变差、甚至电源瘫痪，一定程度上降低了设备的可靠性；除此之外，还有功率管故障保护响应速度慢、不可靠及生产工艺逻辑控制策略在现有控制系统不能较好实现、能量转换效率低、总谐波失真度高的弊端。

发明内容

本发明的目的是提供一种可输出多种波形、在恒压恒流工作模式下都能均流工作的电源控制系统及控制方法。

为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种电源控制系统，包括：供电模块，用于提供电能；数字信号处理模块，用于接收参数信号，生成PWM信号发送至逻辑控制模块；数字开关量模块，用于检测控制系统外围逻辑状态数字量；逻辑控制模块，用于接收和处理数字开关量模块的信息，接收和处理数字信号处理模块的PWM信号，根据数字开关量模块的信息选择是否将处理的PWM信号发送至功率管驱动模块；功率管驱动模块，用于接收和放大逻辑控制模块的PWM信号；电能变换模块，用于接收功率管驱动模块的PWM信号，并输出对应控制的强电信号；电源输出模块，用于接收电能变换模块的强电信号，控制电能输出。由此，数字信号处理模块根据接收的参数进行能量变换、PID控制、PWM调节等控制，使控制环路电压环、电流环、均流环稳态工作。控制系统异常时，逻辑控制模块能快速、可靠关断功率管的PWM信号，逻辑控制模块接收数字信号处理模块所输出PWM脉冲并对其进行叠加、切换、调制变换、同步、逻辑运算处理，经功率管驱动模块信号隔离放大，控制电能变换模块，使电源设备兼具纯直流、脉动直流、正负双脉冲、多波形脉冲、多功能电能输出、实现同步整流驱动和有源功率因素校正驱动技术，大大地降低了电源设备能耗、总谐波失真度，提高了设备整机的能量转换效率。

在一些实施方式中，数字信号处理模块包括DSP芯片，便于进行数字信号处理，可并行执行多个操作。

在一些实施方式中，逻辑控制模块包括FPGA芯片或CPLD芯片，可快速响应控制系统逻辑状态。

在一些实施方式中，电源控制系统还包括并机均流模块，用于自数字信号处理模块获取并机参数，以CAN2.0通信发送并机参数至另一电源控制系统的数字信号处理模块。将每个电源控制系统并机数据以CAN2.0为载体传送电压值、电流值均流信息给数字信号处理模块，实现在恒压、恒流工作模式时都能精度高、动态响应好的均流及N+1冗余备份技术，提高设备可靠性及实现大功率输出。

在一些实施方式中，电源控制系统还包括输出反馈处理模块，用于采集输出电压、输出电流、功率管温度参数，发送至数字信号处理模块。由此，输出反馈处理模块为数字信号处理模块提供反馈信号，数字信号处理模块根据反馈信号进行相应的能量变换、PID控制、PWM调节等控制，使电源控制系统的输出电能更加稳定。

在一些实施方式中，电源控制系统还包括上位机通讯模块，用于向数字信号处理模块发送设定参数。由此，上位机通讯模块便于进行人机交互。

在一些实施方式中，电源控制系统还包括参数存储模块，用于保存上位机通讯模块设定的参数，将参数发送至数字信号处理模块。

相应地，本发明还提供了上述电源控制系统的控制方法，包括以下步骤：

(1)数字信号处理模块接收参数，进行故障状态自检，若系统正常，则进行运算生成PWM信号，若系统故障则关断PWM信号并初始化系统；

(2)逻辑控制模块接收数字信号处理模块发送的PWM信号，接收数字开关量模块的信号，根据数字开关量模块的信号进行系统故障自检，系统正常则生成电能变换模块需要的PWM信号，系统故障则关断PWM信号并初始化系统；

(3)逻辑控制模块对电能变换模块需要的PWM信号进行逻辑运算处理，输出不同逻辑关系的PWM信号至电能变换模块。

在一些实施方式中，参数为输出反馈模块的参数、上位机通讯模块的参数、并机均流模块的参数或参数存储模块的参数。

在一些实施方式中，逻辑控制模块对PWM信号进行的逻辑运算处理包括叠加处理、调制变换处理、切换处理、同步处理中的一种或多种。

本发明的有益效果为：通过数字信号处理模块及逻辑控制模块的配合，形成不同逻辑关系的PWM信号，实现纯直流、脉动直流、正负双脉冲、多波形脉冲、同步整流、有源功率因素校正的PWM脉冲驱动方法。通过并机均流模块的CAN2.0通信模式，实现在恒压、恒流工作模式时都能均流工作，其均流精度高、动态响应好。数字信号处理模块及逻辑控制模块的系统自检步骤，可以双重、快速、可靠保护功率管，极大地提高了电源设备的可靠性。本发明的电源控制系统及控制方法为金属表面处理领域提供高能量转换效率、低能耗、低总谐波失真度、高品质电能输出。需要说明的是，本发明的电源控制系统及控制方法还可应用于除金属表面处理外的其他领域。

附图说明

图1为本发明一实施方式的电源控制系统的结构示意图；

图2为图1所示电源控制系统并机的原理图；

图3为本发明一实施方式的电源控制系统的控制方法的流程图；

图4为图3所示控制方法的数字信号处理模块的工作流程图；

图5为图3所示控制方法的逻辑控制模块的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

图1和图2示意性地显示了根据本发明的一种实施方式的电源控制系统。

如图1所示，本实施方式的电源控制系统，包括：供电模块1、数字信号处理模块2、逻辑控制模块3、数字开关量模块4、功率管驱动模块5、电能变换模块6、电源输出模块7、并机均流模块8、输出反馈处理模块9、上位机通讯模块10和参数存储模块11。

供电模块1，用于提供电能，为整个控制系统正常工作提供电能需求。

数字信号处理模块2，用于接收参数信号，生成PWM信号发送至逻辑控制模块3。参数信号来自并机均流模块8、输出反馈处理模块9、上位机通讯模块10或参数存储模块11。数字信号处理模块2包括DSP芯片(digitalsignalprocessor，数字信号处理器)，可采用德州仪器生产的芯片C2000控制器。该芯片集高精度A/D转换器、PWM控制器、多功能通信接口于一体的可编程芯片，其接收输出反馈处理模块9、并机均流模块8、参数存储模块11、上位机通讯模块信号10的参数信息，通过内置程序进行能量变换、PID控制、PWM调节等控制，使控制环路电压环、电流环、均流环稳态工作。

数字开关量模块4，用于检测控制系统外围逻辑状态数字量，为逻辑控制模块3判断控制系统逻辑状态提供依据。控制系统外围逻辑状态数字量，即为数字电路系统中高电平、低电平两个状态。

逻辑控制模块3，用于接收和处理数字开关量模块4的信息，接收和处理数字信号处理模块2的PWM信号，根据数字开关量模块4的信息选择是否将处理的PWM信号发送至功率管驱动模块5。

逻辑控制模块3包括FPGA芯片或CPLD芯片，可采用赛灵思生产的芯片XC95系列控制器。该芯片主要接收处理数字开关量模块4信号，快速响应控制系统逻辑状态。当控制系统异常时，实现快速、可靠关断功率管的PWM信号。实现控制系统快速、可靠保护功率管，提高了电源设备可靠性及降低设备故障率。FPGA芯片，Field-ProgrammableGateArray，现场可编程门阵列芯片。CPLD芯片，ComplexProgrammableLogicDevice，中文全称：复杂可编程逻辑器件。

逻辑控制模块3接收数字信号处理模块2的PWM信号，通过内置程序进行PWM脉冲进行叠加、切换、调制变换、同步、逻辑运算处理。使电源控制系统兼具纯直流、脉动直流、正负双脉冲、多波形脉冲、多功能电能输出、同步整流驱动和有源功率因素校正驱动，大大地降低了电源设备能耗、总谐波失真度，提高了设备整机的能量转换效率。

功率管驱动模块5，用于接收和放大逻辑控制模块3的PWM信号。功率管可采用IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)，也可采用MOSFET(Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)。

电能变换模块6，用于接收功率管驱动模块5的PWM信号，并输出对应控制的强电信号。电能变换模块6可采用开关电源能量变换拓扑结构，如全桥、半桥、斩波、LLC谐振变换器、维也纳整流器、高频PWM整流器等拓扑结构。

电源输出模块7，用于接收电能变换模块6的强电信号，控制电能输出。电源输出模块7由整流拓扑结构、滤波电路组成，整流拓扑结构可以是：全波整流、全桥整流、半波整流、半桥整流或同步整流。

并机均流模块8，用于向数字信号处理模块2获取并机参数，以CAN2.0通信发送并机参数至另一电源控制系统的数字信号处理模块3。如图2所示，将每各电源控制系统的并机数据以CAN2.0为载体传送电压值、电流值均流信息给数字信号处理模块2，实现在恒压、恒流工作模式时都能精度高、动态响应好的均流及N+1冗余备份技术，提高设备可靠性及实现大功率输出。

输出反馈处理模块9，用于采集输出电压、输出电流、功率管温度参数，发送至数字信号处理模块2，为数字信号处理模块2控制提供反馈信号。

上位机通讯模块10，用于向数字信号处理模块2发送设定参数。上位机通讯模块10具有人机交互作用，可采用触摸屏。上位机通讯模块10主要给数字信号处理模块2下发设备输出参数、金属表面处理生产工艺参数，使生产工艺逻辑控制策略在本发明控制系统很好的实现。

参数存储模块11，用于保存上位机通讯模块10设定的参数，将参数发送至数字信号处理模块2。参数可以是直流输出电压值、直流输出电流值、输出电能波形模式、脉冲频率、脉冲占空比、脉冲宽度、峰值电流值等。

如图3、图4和图5所示，基于上述电源控制系统的控制方法，包括步骤S101～S103。

S101数字信号处理模块2接收参数，进行故障状态自检，若系统正常，则进行运算生成PWM信号，若系统故障则关断PWM信号并初始化系统。

参数为输出反馈模块9的参数、上位机通讯模块10的参数、并机均流模块8的参数或参数存储模块11的参数，数字信号处理模块2对上述参数进行数据处理后进入程序自检，检查上述参数是否正常，若自检不正常，则关断PWM脉冲信号并初始化程序，若自检正常，则进行程序运算生成PWM信号。

S102逻辑控制模块程序初始化，接收数字信号处理模块发送的PWM信号，接收数字开关量模块4的信号。根据数字开关量模块4的信号进行系统故障自检，检查数字开关量模块4的信号是否正常。自检故障则关断PWM信号并初始化系统，自检正常则生成电能变换模块需要的PWM信号。

S103逻辑控制模块对电能变换模块需要的PWM信号进行逻辑运算处理，输出不同逻辑关系的PWM信号至电能变换模块。对PWM信号的逻辑运算处理，包括叠加、调制变换、切换、同步等逻辑运算处理。

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.电源控制系统，其特征在于，包括：

供电模块(1)，用于提供电能；

数字信号处理模块(2)，用于接收参数信号，生成PWM信号发送至逻辑控制模块(3)；

数字开关量模块(4)，用于检测控制系统外围逻辑状态数字量；

逻辑控制模块(3)，用于接收和处理数字开关量模块(4)的信息，接收和处理数字信号处理模块(2)的PWM信号，根据数字开关量模块(4)的信息选择是否将处理的PWM信号发送至功率管驱动模块(5)；

功率管驱动模块(5)，用于接收和放大逻辑控制模块(3)的PWM信号；

电能变换模块(6)，用于接收功率管驱动模块(5)的PWM信号，并输出对应控制的强电信号；

电源输出模块(7)，用于接收电能变换模块(6)的强电信号，控制电能输出。

2.根据权利要求1所述的电源控制系统，其特征在于，所述数字信号处理模块(2)包括DSP芯片。

3.根据权利要求1所述的电源控制系统，其特征在于，所述逻辑控制模块(3)包括FPGA芯片或CPLD芯片。

4.根据权利要求1、2或3所述的电源控制系统，其特征在于，还包括并机均流模块(8)，用于向数字信号处理模块(2)获取并机参数，以CAN2.0通信发送并机参数至另一电源控制系统的数字信号处理模块(3)。

5.根据权利要求1所述的电源控制系统，其特征在于，还包括输出反馈处理模块(9)，用于采集输出电压、输出电流、功率管温度参数，发送至数字信号处理模块(2)。

6.根据权利要求1所述的电源控制系统，其特征在于，还包括上位机通讯模块(10)，用于向数字信号处理模块(2)发送设定参数。

7.根据权利要求6所述的电源控制系统，其特征在于，还包括参数存储模块(11)，用于保存上位机通讯模块(10)设定的参数，将参数发送至数字信号处理模块(2)。

8.电源控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)数字信号处理模块接收参数，进行故障状态自检，若系统正常，则进行运算生成PWM信号，若系统故障则关断PWM信号并初始化系统；

(2)逻辑控制模块接收数字信号处理模块发送的PWM信号，接收数字开关量模块的信号，根据数字开关量模块的信号进行系统故障自检，系统正常则生成电能变换模块需要的PWM信号，系统故障则关断PWM信号并初始化系统；

(3)逻辑控制模块对电能变换模块需要的PWM信号进行逻辑运算处理，输出不同逻辑关系的PWM信号至电能变换模块。

9.根据权利要求8所述的电源控制系统的控制方法，其特征在于，所述参数为输出反馈模块(9)的参数、上位机通讯模块(10)的参数、并机均流模块(8)的参数或参数存储模块(11)的参数。

10.根据权利要求8所述的电源控制系统的控制方法，其特征在于，所述逻辑控制模块对PWM信号进行的逻辑运算处理包括叠加处理、调制变换处理、切换处理、同步处理中的一种或多种。