CN114397938B - 功率电源电缆末端电压的快速响应闭环补偿电路及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种功率电源电缆末端电压的快速响应闭环补偿电路及方法，解决了不能通过增加输出电缆直径来解决输出电缆产生的电缆压降的问题。该电路中逆变器的输入端与外部电源连接，逆变器的输出端连接逆变器输出电缆，逆变器输出电缆与外部负载连接；电流采集模块的输入端与逆变器输出电缆连接，输出端与处理器连接；电压反馈调理模块的输入端与逆变器输出电缆连接，输出端与PI调节器连接；人机操作单元的输入端与逆变器连接，输出端与处理器的输入端连接；处理器的输出端与所述PI调节器连接；内环电流采样模块的输入端与逆变器连接，输出端与P调节器连接；PI调节器的输出端与P调节器连接，P调节器通过PWM生成器与逆变器连接。
Description
技术领域
本发明涉及一种闭环补偿电路，具体涉及一种功率电源电缆末端电压的快速响应闭环补偿电路及方法。
背景技术
在一些电源设备供电行业，电源设备输出经过一定长度的电缆连接在负载上。当输出电流流过输出电缆时，会在输出电缆上产生一定的电压降，特别是当输出电压只有几十V，而输出电流超过1000A以上时，输出电缆产生的电缆压降严重影响负载的供电品质。例如：某电源设备的输出额定电压为DC28V，通过20米输出电缆连接到负载上，假定输出电缆规格120mm2铜导线(内阻为0.161Ω/km),分别流过400A、800A、1200A、1600A和2000A后，负载输入端口的电压分别为25.42V、22.85V、20.27V、17.69V和15.12V，以上数据已经不满足行业的相关标准。由于受负载连接器的限制，不能通过增加输出电缆直径来解决以上问题，另外由于负载的用电电流是随机变化的，在输出电缆上产生的电压降也是随机变化的，所以需要设计一种自动补偿技术来解决以上问题。
发明内容
为了解决受负载连接器的限制，不能通过增加输出电缆直径来解决输出电缆产生的电缆压降的问题，本发明提供了一种功率电源电缆末端电压的快速响应闭环补偿电路及方法。
本发明的基本设计思路是：
通过实时采集功率电源输出的电流，预先计算出电流在输出电缆上的电缆压降，及时调整输出电压给定增量,提高输出电压幅值，有效抵消输出电流在输出电缆上产生的电压降，保证负载输入端供电电压满足要求。
本发明的具体技术方案如下：
一种功率电源电缆末端电压的快速响应闭环补偿电路，包括逆变器、电流采集模块、电压反馈调理模块、人机操作单元、处理器、内环电流采样模块、PI调节器、P调节器以及PWM生成器；
逆变器的输入端与外部电源连接，逆变器的输出端连接逆变器输出电缆，逆变器输出电缆通过输出电缆与外部负载连接；
电流采集模块的输入端与逆变器输出电缆连接，电流采集模块的输出端与处理器连接，用于采集逆变器输出电缆上的电流信号并转换为电压信号传输至处理器；
电压反馈调理模块的输入端与逆变器输出电缆连接，电压反馈调理模块的输出端与PI调节器连接；用于采集输出电缆上的电压信号并将该电压信号进行转换后作为电压反馈信号输入PI调节器；
人机操作单元的输入端与逆变器连接，输出端与处理器连接，用于向处理器发送电压给定、补偿系数；
处理器的输出端与所述PI调节器连接，用于向PI调节器发送电压给定值以及电压补偿值；
内环电流采样模块的输入端与逆变器连接，输出端与P调节器连接，用于将逆变器输出的电流值转换成电压值作为P调节器输入端口的电流内环反馈Uif；
PI调节器的输出端与P调节器连接，P调节器的输出端与PWM生成器的输入端连接，PWM生成器的输出端与逆变器连接。
进一步地，上述处理器采用ARM芯片或DSP芯片。
进一步地，上述电流采集模块包括电流传感器以及电流采样调理电路；电流传感器用于检测逆变器输出电缆上的电流值，并通过电流采样调理电路转换成电压值发送至处理器。
进一步地，上述电流传感器采用分流器或者电流霍尔传感器。
进一步地，上述电压反馈调理模块采用电压霍尔芯片或差分采样芯片。
进一步地，上述逆变器为AC/DC模块或DC/DC模块。
进一步地，上述PWM生成器采用UCC2895芯片。
同时，本发明还提供了采用的上述补偿电路进行补偿的方法，具体步骤如下：
步骤1：电源开始工作时，人机操作单元向处理器下发电压给定值Ug1和补偿系数k；所述电压给定值Ug1值的0V～350V；补偿系数k的取值范围是(0V～10V)/100A；
步骤2：处理器收到电压给定值Ug1后，将电压给定值Ug1除以转换系数k1，通过处理器的DA端口输出，作为向PI调节器输入的电压给定Ug；电压给定Ug的取值由处理器的工作电压决定；
同时，处理器实时接收电流采集模块输出的实时电压U1，并按照公式U1×k2×k÷100÷k1计算后，通过处理器的DA输出，作为PI调节器输入的电压补偿ΔUg；其中，转换系数k2与电流采样模块中将电流值转换为电压值的转换系数互为倒数关系；
步骤3：PI调节器将电压给定Ug、电压补偿ΔUg和电压采集模块输出的实时电压反馈Uf相加后，通过PI调节器内部的积分环节处理后输出，此输出作为P调节器的电流内环给定Uig；
步骤4：P调节器接收内环电流采样模块采集的逆变器内环电流并转换为电压信号作为电流内环反馈Uif，并与电流内环给定Uig相加后输出至PWM生成器；
步骤5：PWM生成器产出PWM控制波形，PWM控制波形控制逆变器调整输出电压的幅值大小。
本发明的有益效果如下：
1、本发明采用变器、电流采集模块、电压反馈调理模块、人机操作单元、处理器、内环电流采样模块、PI调节器、P调节器以及PWM生成器构成的补偿电路，能够有效的补偿不同粗细、长短输出电缆产生的电缆压降问题，本发明可在使用前设置好补偿系数，之后处理器一直实时计算并更新电压补偿量，从而达到快速调整输出电压幅值，保证负载输入端口的电压幅值满足要求。
2、本发明采用ARM芯片或DSP芯片能够大大提升电流采样速度和计算速度，从而快速的实现了输出电缆的压降补偿。
附图说明
图1为本发明的电路原理图。
图2为处理器的工作流程图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
本实施例提供了一种功率电源电缆末端电压的快速响应闭环补偿电路，其具体电路框架原理如图1所示，包括逆变器、电流采集模块、电压反馈调理模块、人机操作单元、处理器、内环电流采样模块、PI调节器、P调节器以及PWM生成器；
该电路的具体连接关系如下：
逆变器的输入端与外部电源连接，逆变器的输出端连接逆变器输出电缆，逆变器输出电缆通过输出电缆与外部负载连接；电流采集模块的输入端与逆变器输出电缆连接，电流采集模块的输出端与处理器连接；电压反馈调理模块的输入端与逆变器输出电缆连接，电压反馈调理模块的输出端与PI调节器连接；人机操作单元的输入端与逆变器连接，输出端与处理器的输入端连接；处理器的输出端与所述PI调节器连接；内环电流采样模块的输入端与逆变器连接，输出端与P调节器连接；PI调节器的输出端与P调节器连接，P调节器的输出端与PWM生成器的输入端连接，PWM生成器的输出端与逆变器连接。
该电路中各个电器元件的具体功能如下：
逆变器为AC/DC或DC/DC:“AC/DC”用于将外部交流电压逆变成所需的直流工作电压；“DC/DC”用于将外部的直流电压转换成所需的直流工作电压。
电流采集模块用于采集逆变器输出电缆上的电流信号并转换为电压信号传输至处理器；电流采集模块包括电流传感器以及电流采样调理电路；电流传感器用于检测输出电缆上的电流值，并通过电流采样调理电路转换成电压值发送至处理器。本实施例中，电流传感器可采用分流器或者电流霍尔传感器。
电压反馈调理模块用于采集输出电缆上的电压信号并将该电压信号进行转换后作为电压反馈信号输入PI调节器；本实施例中电压反馈调理模块采用电压霍尔芯片或差分采样芯片。
人机操作单元主要用于显示***的输出电压、电流等状态，并向处理器发送电压给定值以及补偿系数；
处理器用于向PI调节器发送电压给定值以及电压补偿值；作为该补偿电路的核心器件，为了提高电流采样速度和计算速度本实施例中处理器选用ARM芯片或DSP芯片，此类处理器的供电电压多为3.3V，内部多为70MHz以上的主频，所以可在5μs内完成电流采样、补偿电压计算并输出。
处理器的工作流程如图2所示：电源设备上电后，处理器开始工作，处理器上电后，先完成I/O端口配置、通讯端口配置和初始变量赋值等初始化工作，完成初始化工作后，处理进入循环程序。循环程序包括以下内容：接收人机操作界面下发的电压给定、补偿系数、启动和停机等命令，此部分采用中断方式，其优先级最高，其余时间一直在采样输出电流、计算电压给定Ug和电压补偿ΔUg；
人机操作单元下发的电压给定值Ug1范围为0V～350V,例如：当电压给定值Ug1范围为20V～40V时，则处理器转换后的电压模拟信号遵循以下对应关系：若电压模拟信号为2V时对应电压给定值为40V，若电压模拟信号为1V对应电压给定值为20V，若电压给定值为28V时，经过处理器转换后的电压模拟信号为1.4V，此电压模拟信号作为PI调节器的电压给定Ug，由此可知，本实施例中Ug1和Ug的转换系数k1的20；
处理器收到补偿系数k后，暂存在处理器指定的寄存器中。补偿系数取值范围一般为(0V～10V)/100A(即就是说100A对应电压补偿量为0V至10V)，补偿精度为0.1V。
处理器实时接收电流采集模块输出的实时电压U1，并按照公式U1×k2×k÷100÷k1计算后，通过处理器的DA输出，作为PI调节器输入的电压补偿ΔUg；其中，转换系数k2与电流采样模块中将电流值转换为电压值的转换系数互为倒数关系；假设：采集输出电缆的电流为2000A时，经过电流传感器和电流采样电路后，将2000A电流转换成2V信号，按照倒数关系则k2＝1000。
内环电流采样模块用于将逆变器输出的电流值转换成电压值作为P调节器输入端口的电流内环反馈Uif；
PI调节器用于控制着电源的输出稳态幅值和动态特性。
PWM生成器：使用UCC2895等控制芯片，用于生成PWM波形。
P调节器：用于实时调节内控制环电流，提高设备的动态响应时间和瞬态波形。
通过以上对本实施例电路及各电器元件功能的介绍，现对采用该电路进行补偿的方法进行介绍：
1、电源设备开始工作时，人机操作单元通过485接口下发电压给定值Ug1和补偿系数k；
2、处理器收到电压给定值Ug1和补偿系数k后，将电压给定值Ug1除以转换系数k1(例如转换系数为40V对应2V，转换系数k1为20)，通过处理器的DA端口输出，作为向PI调节器输入的电压给定Ug；
与此同时，处理器实时接收电流采集模块输出的实时电压U1，并按照公式U1×k2×k÷100÷k1计算后，通过处理器的DA输出，作为PI调节器输入的电压补偿ΔUg；
3、PI调节器将电压给定Ug、电压补偿ΔUg和电压采集模块输出的实时电压反馈Uf相加后，通过PI调节器内部的积分环节处理后输出，此输出作为P调节器的电流内环给定Uig；
4、P调节器接收内环电流采样模块采集的逆变器内环电流转换为电压信号作为电流内环反馈Uif，并与电流内环给定Uig相加后输出至PWM生成器；
5、PWM生成器产出PWM控制波形，PWM控制波形控制逆变器调整输出电压的幅值大小。
为了使上述步骤中的计算过程和转换过程更加清晰，现根据一个具体例子来进行说明:设定电源输出额定电压为28V；输出电流为2000A；补偿系数k＝0.6V/100A；电流采样调理电路中电流与电压的转换系数为2000A对应2V，即输出电流为2000A时，U1＝2V；处理器内部转换系数k2＝1000。
若逆变器的输出电压为28V，输出电流为2000A时，处理器开始计算并输出电压补偿ΔUg，ΔUg＝U1×k2÷100×k÷k1＝2V×1000÷100×0.6÷20＝0.6V,此时电源经过补偿后的给定电压为Ug+ΔUg＝1.4V+0.6V＝2V,根据电压给定值Ug1与转换系数k1的对应关系，此时等效的总电压给定为40V，即补偿后电源输出端口的电压为40V，电压反馈调理模块实时采集逆变器的输出电压，按照转换系数k1转换，形成电压反馈Uf，然后将电压给定Ug、电压补偿ΔUg和电压反馈Uf送入PI调节器相加及输出电压调节，调节完成后依次进入P调节器和PWM生成器，最终调整逆变器的输出电压幅值大小。
当输出电缆长度为20米，选用120mm2电缆，阻抗约为0.161Ω/1km，输出电流为2000A,在输出电缆上产生的电压降＝(20×2×0.161Ω÷1000)×2000＝12.88V,则电源设备在20米输出电缆末端上的电压＝40V-12.88V＝27.12V。满足行业的相关要求。
在实际应用时，输出电缆的长度和电缆线经是多样的，且负载的电流变化是随机的，所以在输出电缆产生的电缆压降也是随机的。本发明可在使用前设置好补偿系数，之后处理器一直实时计算并更新电压给定补偿ΔUg，达到快速调整输出电压幅值，保证负载输入端口的电压幅值满足要求。且补偿量大大小随输出电流的增大而自动增大，随输出电流的减小而自动减小，其电流补偿相应速度小于10ms。
假定设置电压为28V，补偿系数为0.6，输出电缆长度为20米，选用120mm2电缆，阻抗约为0.161Ω/1km，在此条件下，当负载电流在0～2000A变化时，采用本补偿方案后的末端电压幅值明显大于补偿前的末端电压，具体数据见下表：
。
Claims (8)
1.一种功率电源电缆末端电压的快速响应闭环补偿电路，其特征在于：包括逆变器、电流采集模块、电压反馈调理模块、人机操作单元、处理器、内环电流采样模块、PI调节器、P调节器以及PWM生成器；
逆变器的输入端与外部电源连接，逆变器的输出端连接逆变器输出电缆，逆变器输出电缆通过输出电缆与外部负载连接；
电流采集模块的输入端与逆变器输出电缆连接，电流采集模块的输出端与处理器连接，用于采集逆变器输出电缆上的电流信号并转换为电压信号传输至处理器；
电压反馈调理模块的输入端与逆变器输出电缆连接，电压反馈调理模块的输出端与PI调节器连接；用于采集输出电缆上的电压信号并将该电压信号进行转换后作为电压反馈信号输入PI调节器；
人机操作单元的输入端与逆变器连接，输出端与处理器连接，用于向处理器发送电压给定、补偿系数；
处理器的输出端与所述PI调节器连接，用于向PI调节器发送电压给定值以及电压补偿值；
内环电流采样模块的输入端与逆变器连接，输出端与P调节器连接，用于将逆变器输出的电流值转换成电压值作为P调节器输入端口的电流内环反馈Uif；
PI调节器的输出端与P调节器连接，P调节器的输出端与PWM生成器的输入端连接，PWM生成器的输出端与逆变器连接。
2.根据权利要求1所述的功率电源电缆末端电压的快速响应闭环补偿电路，其特征在于：所述处理器采用ARM芯片或DSP芯片。
3.根据权利要求2所述的功率电源电缆末端电压的快速响应闭环补偿电路，其特征在于：电流采集模块包括电流传感器以及电流采样调理电路；电流传感器用于检测逆变器输出电缆上的电流值，并通过电流采样调理电路转换成电压值发送至处理器。
4.根据权利要求3所述的功率电源电缆末端电压的快速响应闭环补偿电路，其特征在于：所述电流传感器采用分流器或者电流霍尔传感器。
5.根据权利要求4所述的功率电源电缆末端电压的快速响应闭环补偿电路，其特征在于：所述电压反馈调理模块采用电压霍尔芯片或差分采样芯片。
6.根据权利要求5所述的功率电源电缆末端电压的快速响应闭环补偿电路，其特征在于：所述逆变器为AC/DC模块或DC/DC模块。
7.根据权利要求6所述的功率电源电缆末端电压的快速响应闭环补偿电路，其特征在于：PWM生成器采用UCC2895芯片。
8.一种功率电源电缆末端电压的快速响应闭环补偿方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的补偿电路，其具体执行步骤如下：
步骤1：电源开始工作时，人机操作单元向处理器下发电压给定值Ug1和补偿系数k；所述电压给定值Ug1值的0V～350V；补偿系数k的取值范围是(0V～10V)/100A；
步骤2：处理器收到电压给定值Ug1后，将电压给定值Ug1除以转换系数k1，通过处理器的DA端口输出，作为向PI调节器输入的电压给定Ug；电压给定Ug的取值由处理器的工作电压决定；
同时，处理器实时接收电流采集模块输出的实时电压U1，并按照公式U1×k2×k÷100÷k1计算后，通过处理器的DA输出，作为PI调节器输入的电压补偿ΔUg；其中，转换系数k2与电流采样模块中将电流值转换为电压值的转换系数互为倒数关系；
步骤3：PI调节器将电压给定Ug、电压补偿ΔUg和电压采集模块输出的实时电压反馈Uf相加后，通过PI调节器内部的积分环节处理后输出，此输出作为P调节器的电流内环给定Uig；
步骤4：P调节器接收内环电流采样模块采集的逆变器内环电流并转换为电压信号作为电流内环反馈Uif，并与电流内环给定Uig相加后输出至PWM生成器；
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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