基于EtherCAT总线的可编程电源研究.pdf

务l lI5 地 基于E t h e r C A T 总线的可编程电源研究 St ud y on Et her CAT- bas ed pr ogr am m abl e pow er s uppl y 陈鹏展，刘百芬 CHEN Pe n g ． z h a n ． L I U Ba i ． f e n 华东交通大学 电气与电子工程学院，南昌 3 3 0 0 1 3 摘要针对可编程电源的应用需求，提出了一类具有并联运行能力的直流可编程电源。以移相P WM 作为电源前级， B U C K 变换作为电源后级，构成了可编程电源的主电路拓扑；选择高速实时 总线E t h e r O A T 作为可编程电源的通信接口，在电源独立运行时作为外部指令输入接口，在电 源并联运行时构成网络 ，作为各电源间的数据交换通道；分析了可编程电源的控制结构，提 出了多电源并联运行时的分流方案及输出同步控制策略。对所设计的可编程电源性能进行了 评估，得到满意结果。 关键词可编程电源；网络协同； 环形耦合 ；E t h e r C A T 总线 中圈分类号T P2 7 3 ． 3 ；T M4 2 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 3 1 1 J E 一 0 1 1 1 0 3 O o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． I s s n ． 1 0 0 9 -0 1 3 4 ． 2 0 1 3 ． 1 1 I- ． 3 1 0 引言 可 编程 电源 可根 据 用 户程 序设 定 或 指令 输 入 ，通过对 电路拓扑 中的开关器件进行调整，使 电源输 出实时准确地跟随指令变化 。在其应用过 程 中，往往存在不 同的需求 ，若为满足不同应用 需 求而 开 发 、设 计 、生 产不 同规 格 的可 编程 电 源 ，势必加大 系统成本和设计周期 ，制约可编程 电源的应用 。具有并联运行能力的可编程 电源可 根据需要灵活组合成不 同功率的电源系统，不仅 可以使可编程电源的设计模块化和标准化 ，而且 还能 够 实现 电 源 系统 的冗余 ，提 高其 运 行可 靠 性，己成为其发展的一个重要方向Ⅱ 】 。 1 硬件结构设计 1 ． 1 主电路拓扑设计 在可编程电源实际应用 中，需要具备 良好 的 动 态响应特性，较小的体积／ 功率比，以及较低 的 电压 和电流输 出纹波。针对可编程 电源的性能要 求，考虑其 指令输 入特性 、并联运 行需求 、频 响 带 宽、体积及纹 波指标 等因素 ，选用全数字控制 的多级 串联变换作 为可编程 电源 的主 电路拓扑方 案 。多级 串联调节 易于使 电源输 出保持低较小 的 纹波，减小电源重量及体积 】 ；全数字控制技术则 可以简化硬件电路 ，应用各种先进的控制策略， 使电源获得更为精确的输 出，更易于实现可编程 电源的并联同步运行。 可编程电源的主电路拓扑结构如图l 所示 ，主 要包括两个部分移相P WM变换和B UCK变换。 市电输入经过校正整流后，经过前级移相全桥完 成DC ／ DC隔离降压 ，获得稳定直流电压 ，然后根 据指令设定的工作模式，经过后级B UC K变换获得 按指令变化的低纹波精密输 出，通过开关管K 5 、K6 实现电流输出、电压输出和功率输出模式的切换 。 图 1 主 电 路 拓 扑 结 构 可 编 程 电源 选 用 ST公 司 高 性 能 微 处 理 器 S T M3 2 F 4 0 7 VGT 6 对移相全桥环节和B UC K变换环 节中的功率开关管进行控制 。当可编程 电源工作 在电流输 出模式时，电源 以采样点2 处的电流采样 值作为 电流反馈 ，通过调整开关管K5 ，使电流输 出跟随指令变化 。当电源工作在电压或功 率输 出 模 式时 ，以采样点2 处 的电流采样值作 为电流反 馈 ，作为电流控制 内环，以采样点3 处的电压采样 值作为 电压反馈 ，构成电压或功率控制外环 ，利 用双控制环来调整开关管K 5 、K 6 以实现 电源输 出 对电压和功率输 出指令的跟随。 收稿日期2 0 1 3 - 0 6 -2 5 基金项目国家自然科学基金 6 t t 6 4 0 t t ；江西省 自然科学基金 2 0 1 1 4 B A B 2 0 1 0 2 3 作者简介陈鹏展 1 9 7 5 一 ，男，湖北武穴人，副教授，博士，研究方向为网络控制系统、汽车电子控制及伺服驱动控制。 第3 5 卷第1 1 期2 0 1 3 1 1 上 [ 1 1 1 ] 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 骞 、 I 甸 化 设计 的驱动 系统 能够满足其工艺要求 。自动焊接 系统的全景图如图5 所示。 图5 自动 焊接系统全景图 4 结束语 本文介绍了应用P L C 控制步进电机实现了微小 导电滑环引线的 自动焊接，经实验结果表明，该 系统设计结构简单，易于操作，成本 经济节约， 运行稳 定可靠 ，实用性强 ，大大节约了劳动力， 具有使用和推广价值 。 参考文献 [ 1 】史敬灼， 王宗培， 等． 步进电动机驱动控制技术的发展【 J 】 ． 微特电机 ， 2 0 0 7 ， 3 5 0 7 1 0 4 1 0 7 ． 【 2 】B e t i n F ， P i n c h o n D， C a p o l i n o G A． F u z z y L o g i c A p p l i e d t o S p e e d Co n t r o l o f a S t e p p i n g M o t o r Dr i v e ． I EEE Tr a n s o n I n d u s t r i a l El e c tro n i c s ， 2 0 0 0 ， 4 7 3 6l 0 6 2 2 ． [ 3 】可编程控制器原理及应用【 M】 ． 北京 国防工业出版社， 2 01 0． 【 4 】S o E C T ， Y a n g S J ． T h e E f f e c t o f T o o t h S h a p e o n R a d i a l Fo r c e s i n S t e p M o t o r s ． I E EE Tr a n s o n M a g n e ti c s ， P a r t 2 ， 1 9 9 3 ， 2 9 6 2 4 1 3 2 4 1 5 ． 【 5 】陈伯时， 陈敏逊． 交流调速系统[ M】 ． 北京 机械工业出版 社， 1 9 9 8 1 - 3 2 ， 1 6 5 2 3 1 ． ．出 ． ． 出．{矗‘{＆● 国● {重‘ 蠡‘ 矗‘ j＆‘ {重I {盘‘ 矗‘{鑫I 出‘ {矗‘ ． {矗‘ {矗I 童‘{盘‘ |矗‘ {重● ． 蠡‘ 【 上接第1 1 2 页】 扰动而引起输 出电压变化，会造成该 电源的电压 输 出与相邻的两 台电源的电压输 出之间都存在同 步误差 ，同步误差将通过 补偿模块分别对相邻一 台电源和受扰动电源本身形成反馈 ，最 终在整个 系统 中形成耦合环 ，通过对耦合误差的补偿 ，则 使各电源的输 出很快恢复 同步状态。 3 实验研究 为了对 并联可编程电源的性能进行评估 ，采 用直流 电子 负载I T 8 5 1 0 作为可编程 电源 的负载对 象 ，设置电子负载的工作模式为定电阻 设定为1 欧 姆 工作模式，对 电源在独立和并联运行工作模式 下施加不 同的电压指令 ，观 测可编程 电源 的电压 电流输 出。 萼 墨 一 t ／‘ 5 n 梧 图3 独立运行模式下 的电源输 出特性 图3 为 电源在接收变频变幅三角信号指令输入 时的 电压输 出响应 ，从图 中看 出，在恒定外部负 载作用下 ，可编程 电源的电压输 出能够始终保持 对外部指令对跟随。 采用三 台可编程 电源并联对 电子 负载 供电 ， 设定每台电源的功率容量分 别为 1 2 0 0 W 1 ， 8 0 0 W 2 } } 和5 0 O W 3 ，观测各电源的电压 和电流输 出。 n『 鼍 t _ ， 图4 并联运行模式下的电源输出特性 从 图4 可知，当并联电源系统接收变频变幅正 弦 电压指令时 ，能够根据功率容量比重进 行功率 分配 ，虽然在运行起始时各电源的电压输 出存在 一 定 的差异 ，但能随即恢复并在运行 中保持对输 入信号的同步响应。 4 结束语 采用E t h e r CAT总线 接 口可使 可编程 电源获 得了实时性 强、兼容性好 的的数据通道，从而使 其 能够更灵和地应用于独立运行和并联运 行等各 种场合 ，基于 网络协 同的分布式可编程 电源方案 不仅可以加快应用 系统 的设计进程 ，节约系统成 本 ，而且可 以实现 电源 系统的冗余 ，具 有广阔的 应用前景。 参考文献 [ 1 】陈 宏 ， 胡 育 文 ． 逆 变 电 源 并 联 技 术 【 J 】 ． 电 工 技 术 学 报， 2 0 0 2 ， 1 7 5 5 5 8 ． 【 2 】胡进． 一种低纹波输 出仪用数控恒压／ 恒流直流 电源的研 究【 D 】 ． 杭州 浙江大 学， 2 0 0 5 ． 【 3 】方称生， 高伟强， 胡泽华． 基于E t h e r C AT 高性能多轴数控 系统平台研究[ J 】 ． 电气传动， 2 0 1 3 ， 2 7 4 7 7 ． 【 4 】张天芳． 开关电源的并联运行及其数字均流技术[ J ] ． 淮海 工学院学报， 2 0 0 6 ， 1 2 9 3 2 ． 第3 5 卷第1 1 期2 0 1 3 - 1 1 上 [ 1 1 7 】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m