CN113131604B - 一种冗余电源均流输出的自动控制系统 - Google Patents

一种冗余电源均流输出的自动控制系统 Download PDF

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CN113131604B CN202110473269.1A CN202110473269A CN113131604B CN 113131604 B CN113131604 B CN 113131604B CN 202110473269 A CN202110473269 A CN 202110473269A CN 113131604 B CN113131604 B CN 113131604B
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Abstract

本发明公开了一种冗余电源均流输出的自动控制系统，包括：开关电源模块、冗余模块、步进电机模块及电子电路控制模块；系统运行时，先进行系统校准，拟合出功率曲线，再在测量模式，通过微控制单元MCU计算出各个开关电源均流输出需要达到的功率值，并将这些功率值转换为驱动力矩发送给各个驱动电机，驱动电机按照接收到的驱动力矩进行转动，从而带动螺丝刀头转动旋钮，进而改变各个开关电源的输出电压，最终达到各个开关电源均流输出。

Description

一种冗余电源均流输出的自动控制系统
技术领域
本发明属于冗余电源均流控制技术领域，更为具体地讲，涉及一种冗余电源均流输出的自动控制系统。
背景技术
冗余电源最开始是用于服务器供电，因服务器需要长时间稳定工作，而突然掉电可能会引起服务器数据丢失，故采用多个电源形成冗余电源对服务器供电，当一个电源出现异常或停止工作时，会有其他电源对服务器进行供电，保证服务器能够一直处于供电状态。现如今，无论是计算机主板供电，还是大型自动控制系统供电，都会采用冗余电源结构进行供电，保障设备在运行过程中电源供电的稳定性。
如今冗余电源结构有很多种：冗余冷备份的方法为正常工作时由一个电源供电，供电电源出现故障时再切换电源。缺点在于切换时可能会出现电压豁口，从而导致系统停机；而并联均流以及热备份的方法都是多个电源同时供电，这样能在供电电源故障进行切换时保证另一个电源立即提供输出。但由于多个电源同时工作，每个电源都有输出功率，产生较大的成本。其次，在冗余结构中，只能保证总输出功率，无法确定以及调节各个电源的输出功率，导致电源工作状态差异，进而导致电源寿命减小。
现工业生产中所使用的冗余结构绝大多数为简单的并联结构，无法实现对单个电源输出的控制。而市面上现拥有的可自动控制的冗余模块结构复杂，价格昂贵，且需要重新组装冗余电源结构。
自动检测并控制冗余电源中各电源的输出功率难点在于，冗余结构电源会相互影响，无法在冗余结构中简单直接测出单电源输出，需要在总输出中提取单电源的输出功率，得到各电源输出功率，再通过开关电源自身的输出阈值进行功率分配，实现输出功率自动控制的目的。在对电源合理使用延长工作寿命以及冗余电源输出状态监控方面都有重大意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种冗余电源均流输出的自动控制系统，在不改变原有电源结构的基础上，通过增加外部装置来实现冗余电源非侵入式的自动控制。
为实现上述发明目的，本发明一种冗余电源均流输出的自动控制系统，其特征在于，包括：开关电源模块、冗余模块、步进电机模块及电子电路控制模块；
所述开关电源模块包含多个开关电源，由微控制单元MCU直接控制各个开关电源的断、开；开关电源的具体个数与步进电机、电机驱动芯片的个数相同；其中，每个开关电源均设置有插入螺丝刀头的电位器旋钮口；
所述冗余模块用于桥接开关电源模与电子电路控制模块；各个开关电源以并联方式接入至冗余模块，而冗余模块输出又反馈给电子电路控制模块的采集模块；
所述步进电机模块由多个步进电机组成，其中，在每个步进电机的电机转子处安装螺丝刀头，并通过电位器旋钮口插入至开关电源，利用螺丝刀头转动旋钮，从而改变电源输出电压；在步进电机的外壳处加装环形磁铁，以固定使螺丝刀头转动；
所述电子电路控制模块包括电机驱动芯片、模式选择及状态指示模块、电源模块、采集模块以及微控制单元MCU；
其中、模式选择及状态指示模块包含校准与测量两种模式，系统默认为校准模式，校准模式时，状态指示亮红色，而测量模式时，状态指示亮绿色；
电源模块为一块LDO芯片，通过LDO芯片将外接的高压直流电转换为低压直流电，从而为系统中各模块供电。
其中，电源纹波信号采集模块又包括交流耦合电路、滤波模块、放大模块和ADC；
当系统运行时，默认为校准模式，此时，MCU使能第一个开关电源运行，再通过采集模块采集第一个开关电源在不同负载下的功率及纹波，然后对采集的一系列功率值及纹波值进行处理，通过二次多项式函数拟合处功率曲线L(f,p)，完成校准模式；
接着，MCU将校准模式更换为测量模式，并发送使能信号至剩余的开关电源，使整个系统中所有开关电源同时运行；
在测试模式下，采集模块采集冗余模块输出的电源纹波信号，然后通过内部的交流耦合电路滤除电源纹波信号的直流分量，再通过滤波模块滤除高频噪声，然后经放大模块放大处理后由ADC采样，从而采集到平滑的电源纹波信号并输入至MCU；MCU提取电源纹波信号并进行快速傅里叶变换得到纹波频谱，再在纹波频谱上寻找满足峰值条件所对应的频率点，然后代入至功率曲线L(f,p)，计算出各个电源功率值，并通过PID算法的修正，从而得到各个开关电源均流输出需要达到的功率值，电机驱动芯片将这些功率值转换为驱动力矩，以驱动信号的方式再发送给各个驱动电机，驱动电机按照接收到的驱动力矩进行转动，从而带动螺丝刀头转动旋钮，进而改变各个开关电源的输出电压，最终达到各个开关电源均流输出。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明一种冗余电源均流输出的自动控制系统，包括：开关电源模块、冗余模块、步进电机模块及电子电路控制模块；系统运行时，先进行系统校准，拟合出功率曲线，再在测量模式，通过微控制单元MCU计算出各个开关电源均流输出需要达到的功率值，并将这些功率值转换为驱动力矩发送给各个驱动电机，驱动电机按照接收到的驱动力矩进行转动，从而带动螺丝刀头转动旋钮，进而改变各个开关电源的输出电压，最终达到各个开关电源均流输出。
同时，本发明一种冗余电源均流输出的自动控制系统还具有以下有益效果：
(1)、通过纹波信号与功率拟合曲线关系，能实现通过不测量电流、负载的方式得到电源输出功率，实现了对于电源输出功率检测的非侵入式测量，为开关电源的功率获取提供新的方法；
(2)、通过电源功率比的算法以及PID算法控制电机运行，从而控制输出电压，实现冗余电源输出均流，使冗余电源输出控制自动化；与传统调节均流只能手动调整且需要一边调整一边测量的方式相比，自动控制均流装置更加便捷，效率更高且精度更高；
(3)、装置采用非侵入式测量的方式对冗余电源信号进行采集，与菲利普斯公司所研制的自动均流装置需要接入成为冗余结构的一部分相比，该装置无需对冗余结构进行改变，属于外挂设备，即使该装置出现故障或停止工作也不会影响冗余电源的正常运行，这样大大的提高了装置的适用性与通用性，降低了装置故障检修与维护风险。
附图说明
图1是本发明一种冗余电源均流输出的自动控制系统一种具体实施方式架构图；
图2是开关电源的结构图；
图3是同步电机的安装示意图；
图4是采集模块的原理图；
图5是第一个开关电源数据拟合的功率曲线；
图6是两个开关电源测量的功率曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图1是本发明一种冗余电源均流输出的自动控制系统一种具体实施方式架构图。
在本实施例中，如图1所示，以两个开关电源为例，对本发明一种冗余电源均流输出的自动控制系统进行说明，具体包括：开关电源模块1、冗余模块2、步进电机模块3及电子电路控制模块4。
开关电源模块1包含两个开关电源，由微控制单元MCU直接控制两个开关电源的断、开；在本实施例中，开关电源、步进电机、电机驱动芯片的个数均为两个；其中，如图2所示，每个开关电源均设置有插入螺丝刀头的电位器旋钮口2.1。
冗余模块2用于桥接开关电源模1与电子电路控制模块4；两个开关电源以并联方式接入至冗余模块，而冗余模块输出又反馈给电子电路控制模块1的采集模块。
步进电机模块3由两个步进电机组成，其中，在每个步进电机的电机转子处安装螺丝刀头1.2，并通过电位器旋钮口2.1插入至开关电源，利用螺丝刀头1.2转动旋钮，从而改变电源输出电压，出于对电源电位机螺丝保护，在螺丝刀头加装弹簧1.3以适应各深度电位器位置；在步进电机的外壳处加装环形磁铁1.1，以固定步进电机使螺丝刀头转动。
在本实施例中，如图3所示，将步进电机及刀头3.1通过电位器旋钮口插入开关电源3.2，且置于电位器3.3的上方，后刀头需垂直贴合电位器旋钮3.4安装。这样采用非侵入式对冗余电源信号进行采集，电子电路只采集冗余模块电压信号，即使去除该电路，不会影响冗余模块正常工作输出。
电子电路控制模块4包括电机驱动芯片1.4、模式选择及状态指示模块1.5、电源模块1.6、采集模块1.7以及微控制单元MCU 1.8；
其中、模式选择及状态指示模块1.5包含校准与测量两种模式，系统默认为校准模式，校准模式时，状态指示亮红色，而测量模式时，状态指示亮绿色；
电源模块1.6为一块LDO芯片，通过LDO芯片将外接的高压直流电转换为低压直流电，从而为系统中各模块供电。在本实施例中，通过DC/DC电源隔离器，将输入电压转换为5V，为电机驱动及步进电机供电；同时将电压转换至3.3V为MCU芯片供电。若接入市电需外加电源适配器将输入电压转换为5V。
其中，如图4所示，采集模块1.7又包括交流耦合电路、滤波模块、放大模块和ADC；
当系统运行时，默认为校准模式，此时，MCU使能第一个开关电源运行，再通过采集模块采集第一个开关电源在不同负载下的功率及纹波，然后对采集的一系列功率值及纹波值进行处理，通过二次多项式函数拟合处功率曲线L(f,p)，完成校准模式。具体校准过程为：
1)、将第一个开关电源在输出为U时，分别接固定负载间隔1Ω的负载Ri，共计测量十组数据，i＝1,2,…,10；
2)、测量每种负载下的功率值Pi；
Pi＝U2/Ri
3)、采集每种负载下的电源纹波信号wi(t)，并进行快速傅里叶变换，得到纹波频谱Wi(f)；
Wi(f)＝FFT(wi(t))
其中，FFT(·)表示快速傅里叶变换；
4)、在每个纹波频谱Wi(f)中取最大幅值所对应的频率点fi max；
在本实施例中，第一个开关电源在固定负载间隔下获取的频率点如表1所示；
R 电源1频率
11 183500
12 188300
13 192700
14 197200
15 201900
16 203800
17 207000
18 210500
19 214000
20 216000
表1
5)、对各个功率值Pi与频率点fi max进行二次多项式拟合，拟合出曲线L(f,p)；
5.1)、设置二次函数模型；
P(f)＝af2+bf+c
其中，f表示频率，P为对应的功率，a、b、c为系数；
5.2)、将各个功率值Pi与频率点fi max代入至二次函数模型中进行拟合，拟合时满足最小均方误差w(a,b,c)；
Figure BDA0003046204360000061
由极值定理得到：
Figure BDA0003046204360000062
Figure BDA0003046204360000063
Figure BDA0003046204360000064
则最终目的是解下述方程组：
Figure BDA0003046204360000071
5.3)、通过对上述方程组求解，计算出系数a、b、c，再将系数a、b、c代入至二次函数模型中拟合出的功率曲线是L(f,p)；
在本实施例中，以电源1的数据进行拟合，可以得到图5所示的功率曲线，对应的曲线为：
P(f)＝2.041170202001298e-09*f2-0.0015473741405332645*f+268.93946986441136
其中，a＝2.041170202001298e-09,b＝0.0015473741405332645,c＝268.93946986441136
通过纹波信号与功率拟合曲线关系，能实现通过不测量电流、负载的方式得到电源输出功率，实现了对于电源输出功率检测的非侵入式测量；
接着，MCU将校准模式更换为测量模式，并发送使能信号至第二个开关电源，使整个系统中两个开关电源同时运行；
在测试模式下，采集模块采集冗余模块输出的电源纹波信号，然后通过内部的交流耦合电路滤除电源纹波信号的直流分量，再通过滤波模块滤除高频噪声，然后经放大模块放大处理后由ADC采样，从而采集到平滑的电源纹波信号并输入至MCU；在本实施例中，正常电源纹波幅值≤20mV，故放大电路放大倍数选择20-100倍，因此，ADC采样率选择2M以上。
MCU提取电源纹波信号并进行快速傅里叶变换得到纹波频谱，再在纹波频谱上寻找满足峰值条件所对应的频率点，然后代入至功率曲线L(f,p)，计算出各个电源功率值，并通过PID算法的修正，从而得到各个开关电源均流输出需要达到的功率值，其具体方法为：
(1)、采集电源纹波信号w(t)，并进行快速傅里叶变换，得到纹波频谱W(f)；
W(f)＝FFT(w(t))
(2)、取纹波频谱W(f)中最大幅值所对应的频率点fmax；
(3)、在本实施例中开关电源个数为2，设置幅值阈值W0，在本实施例中，W0＝1000；以fmax为中心，在(-r2,-r1)∪(r1,r2)范围内寻找与开关电源数相同个数的最大幅值
Figure BDA0003046204360000081
并记录下这些幅值对应的频率点
Figure BDA0003046204360000082
其中，r1、r2为设置的搜索范围参数，在本实施例中，r1＝1khz，r2＝150KHz；k＝1,2；
在这两个幅值
Figure BDA0003046204360000083
中，挑选出
Figure BDA0003046204360000084
的频率点，再将这些频率点也设置为频率点fmax；
(4)、将这两个频率点分别代入至功率曲线L(f,p)，得到两个功率值
Figure BDA0003046204360000085
(5)、设定功率阈值P0；将每一个功率值
Figure BDA0003046204360000086
分别与功率阈值P0比较，如果某一个功率值
Figure BDA0003046204360000087
大于功率阈值P0，则进入步骤(6)；否则，保持该功率值不变；
在本实施例中，如图6所示，测得电源1的功率为21.44，电源2的功率为35.56，那么测得的功率比21.44：35.56，即1：1.66；
(6)、计算功率误差
Figure BDA0003046204360000088
再将功率误差e(t)通过PID算法进行修正，得到修正后的功率值
Figure BDA00030462043600000811
Figure BDA00030462043600000810
其中，KP，KI，KD为PID算法系数，在本实施例中，KP＝10，KI＝0.05，KD＝200；
最后，电机驱动芯片将这些功率值转换为驱动力矩，以驱动信号的方式再发送给各个驱动电机，驱动电机按照接收到的驱动力矩进行转动，从而带动螺丝刀头转动旋钮，进而而改变各个开关电源的输出电压，最终达到各个开关电源均流输出。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (4)

1.一种冗余电源均流输出的自动控制系统，其特征在于，包括：开关电源模块、冗余模块、步进电机模块及电子电路控制模块；
所述开关电源模块包含多个开关电源，由微控制单元MCU直接控制各个开关电源的断、开；开关电源的具体个数与步进电机、电机驱动芯片的个数相同；其中，每个开关电源均设置有插入螺丝刀头的电位器旋钮口；
所述冗余模块用于桥接开关电源模与电子电路控制模块；各个开关电源以并联方式接入至冗余模块，而冗余模块输出又反馈给电子电路控制模块的采集模块；
所述步进电机模块由多个步进电机组成，其中，在每个步进电机的电机转子处安装螺丝刀头，并通过电位器旋钮口插入至开关电源，利用螺丝刀头转动旋钮，从而改变电源输出电压；在步进电机的外壳处加装环形磁铁，以固定步进电机使螺丝刀头转动；
所述电子电路控制模块包括电机驱动芯片、模式选择及状态指示模块、电源模块、采集模块以及微控制单元MCU；
其中、模式选择及状态指示模块包含校准与测量两种模式，系统默认为校准模式，校准模式时，状态指示亮红色，而测量模式时，状态指示亮绿色；
电源模块为一块LDO芯片，通过LDO芯片将外接的高压直流电转换为低压直流电，从而为系统中各模块供电；
其中，电源纹波信号采集模块又包括交流耦合电路、滤波模块、放大模块和ADC；
当系统运行时，默认为校准模式，此时，MCU使能第一个开关电源运行，再通过采集模块采集第一个开关电源在不同负载下的功率及纹波，然后对采集的一系列功率值及纹波值进行处理，通过二次多项式函数拟合处功率曲线L(f,p)，完成校准模式，其中，f表示频率，p表示功率，；
接着，MCU将校准模式更换为测量模式，并发送使能信号至剩余的开关电源，使整个系统中所有开关电源同时运行；
在测试模式下，采集模块采集冗余模块输出的电源纹波信号，然后通过内部的交流耦合电路滤除电源纹波信号的直流分量，再通过滤波模块滤除高频噪声，然后经放大模块放大处理后由ADC采样，从而采集到平滑的电源纹波信号并输入至MCU；MCU提取电源纹波信号并进行快速傅里叶变换得到纹波频谱，再在纹波频谱上寻找满足峰值条件所对应的频率点，然后代入至功率曲线L(f,p)，计算出各个电源功率值，并通过PID算法的修正，从而得到各个开关电源均流输出需要达到的功率值，电机驱动芯片将这些功率值转换为驱动力矩，以驱动信号的方式再发送给各个驱动电机，驱动电机按照接收到的驱动力矩进行转动，从而带动螺丝刀头转动旋钮，进而改变各个开关电源的输出电压，最终达到各个开关电源均流输出。
2.根据权利要求1所述的一种冗余电源均流输出的自动控制系统，其特征在于，所述螺丝刀头外围加装弹簧。
3.根据权利要求1所述的一种冗余电源均流输出的自动控制系统，其特征在于，所述校准模式下拟合出功率曲线L(f,p)的具体过程为：
(3.1)、将第一个开关电源在输出为U时，分别接n个固定间隔阻值的负载Ri，i＝1,2,…,n；
(3.2)、测量每种负载下的功率值Pi；
Pi＝U2/Ri
(3.3)、采集每种负载下的电源纹波信号wi(t)，并进行快速傅里叶变换，得到纹波频谱Wi(f)；
Wi(f)＝FFT(wi(t))
其中，FFT(·)表示快速傅里叶变换；
(3.4)、在每个纹波频谱Wi(f)中取最大幅值所对应的频率点fi max；
(3.5)、对各个功率值Pi与频率点fi max进行二次多项式拟合，拟合出曲线L(f,p)；
(3.5.1)、设置二次函数模型；
P(f)＝af2+bf+c
其中，f表示频率，P为对应的功率，a、b、c为系数；
(3.5.2)、将各个功率值Pi与频率点fi max代入至二次函数模型中进行拟合，拟合时满足最小均方误差w(a,b,c)；
Figure FDA0003743880010000031
由极值定理得到：
Figure FDA0003743880010000032
Figure FDA0003743880010000033
Figure FDA0003743880010000034
则最终目的是解下述方程组：
Figure FDA0003743880010000035
(3.5.3)、通过对上述方程组求解，计算出系数a、b、c，再将系数a、b、c代入至二次函数模型中拟合出的功率曲线是L(f,p)。
4.根据权利要求1所述的一种冗余电源均流输出的自动控制系统，其特征在于，所述测量模式下获取各驱动力矩的具体方法为：
(4.1)、采集电源纹波信号w(t)，并进行快速傅里叶变换，得到纹波频谱W(f)；
W(f)＝FFT(w(t))
(4.2)、取纹波频谱W(f)中最大幅值所对应的频率点fmax；
(4.3)、设开关电源个数为m，设置幅值阈值W0；以fmax为中心，在(-r2,-r1)∪(r1,r2)范围内寻找与开关电源数相同个数的最大幅值
Figure FDA0003743880010000036
并记录下这些幅值对应的频率点
Figure FDA0003743880010000037
其中，r1、r2为设置的搜索范围参数，k＝1,2,…,m；
在m个幅值
Figure FDA0003743880010000038
中，挑选出
Figure FDA0003743880010000039
的频率点，再将这些频率点也设置为频率点fmax；
(4.4)、将m个频率点分别代入至功率曲线L(f,p)，得到m个功率值
Figure FDA00037438800100000310
(4.5)、设定功率阈值P0；将每一个功率值
Figure FDA00037438800100000311
分别与功率阈值P0比较，如果某一个功率值
Figure FDA00037438800100000312
大于功率阈值P0，则进入步骤(4.6)；否则，保持该功率值不变，并进入步骤(4.7)；
(4.6)、计算功率误差
Figure FDA0003743880010000041
再将功率误差e(t)通过PID算法进行修正，得到修正后的功率值
Figure FDA0003743880010000042
Figure FDA0003743880010000043
其中，KP，KI，KD为PID算法系数
(4.7)、电机驱动芯片将这些功率值转换为驱动力矩，并以驱动信号的方式发送给各个驱动电机。
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