（通信与信息系统专业论文）基于dsp的ups逆变电源控制系统设计.pdf

r e g i s t e r e dn o ：5 1 0 7 1 2 0 2 0 7 2 e a s tc h i n an o r m a l u n i v e r s i t y ad e s i g no f u p si n v e r s i o nco n t r o l s y s t e m b a s e do nd s p d e p a r t m e n t ：卫星乜垦旦i 卫星堡! q 亘l 皇堡! ! q 旦i 曼s 坌i 星垒殳曼坌避亟壁垒h 坠q ! q g y m a j o r ：q 旦3 堡旦堕i 曼鱼! i q 旦旦n 鱼! 坠l i o 墅垒! i q ns y 墨! 星匹 s p e c i a l i t y ：s i g 驻垦! q g 坠i 曼i ! i q n 垦n 亟q 昼曼苎墨 s u p e r v i s o r ：! q ! 垒墨曼q e 丛曼n g ! 垒q s t u d e n tn a m e ： q i f 垒坠g 垦垒 一一 a p r i l ，2 0 1 0 华东师范大学学位论文原创性声明 郑重声明：本人呈交的学位论文基于d s p 的u p s 逆变电源控制系统设计，是在华 东师范大学攻读砸孟博士( 请勾选) 学位期间，在导师的指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研 究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 日期：州口年o s - , q 姥日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 基于d s p 的u p s 逆变电源控制系统设计系本人在华东师范大学攻读学位期间在导 师指导下完成的硒声博士( 请勾选) 学位论文，本论文的研究成果归华东师范大学所有。 本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位论文，并向主管部门和相关机构如 国家图书馆、中信所和“知网”送交学位论文的印刷版和电子版；允许学位论文进入华东 师范大学图书馆及数据库被查阅、借阅：同意学校将学位论文加入全国博士、硕士学位论 文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其 它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) ( ) 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部”或“涉密”学位论文木， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( 、) 2 不保密，适用上述授权。 导师签名坦妊蔓硷本人签名幽： 瑚f 。年万月谚日 幸“涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定过的学位论文( 需 附获批的华东帅范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表方为有效) 。未经上述部门审定的学位 论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公开学位论文，均适用上述授权) 。 渣望笪硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 李明教授华东师范大学主席 薛燕陵教授华东师范大学 劳五一副教授华东师范大学 论文摘要 u p s ( u n i n t e r r u p t e dp o w e rs u p p l y ) 是种电力设备，当电网供电出现紧急故障时，u p s 逆变电源可以利用蓄电池为负载提供应急供电。同时u p s 也具有改善电网电力质量的作用。 我国u p s 市场需求巨大，每年u p s 的市场销售量大约在6 0 亿元人民币。除了电信、金融 等行业对u p s 的需求居高不下之外，制造业、交通业、能源业对于u p s 的需求量呈王见上丁| 趋势。 本文介绍了u p s 逆变电源的组成，分析了各部分的作用及其工作原理，研究了实现 u p s 逆变控制的关键技术。在此基础上，设计了基于d s p 的u p s 逆变控制系统，提出了 一套融合软硬件的适用于u p s 逆变电源的数字化精准控制方案。 u p s 逆变电源的控制系统的硬件电路设计采用t i 公司的3 2 位t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 作为逆变 控制信号和驱动控制信号产生的丰芯片，结合a l t e r a 公司的e p m 2 4 0 t 1 0 0 c 高性能低功耗 c p l d 做接e l 扩展和相位变换。本文在a l t i u md e s i g n e r 软件环境下绘制电路原理图和p c b 电路板。在电路板设计中加入了各种抗干扰措施，提升了系统的稳定性。 软件设计分别对d s p 和c p l d 进行编程。d s p 输出s p w m 波和可控硅整流信号，同 时采集系统输入输出环节中的模拟量以监控系统运行状态。c p l d 对d s p 的输出信号进行 相位变换。控制系统的软件最终实现了系统软肩动、驱动控制波形输出、模拟信号采集和 系统保护。 在完成u p s 逆变电源控制系统的软硬件设计的基础上，本文将控制系统和u p s 整机进 行联合调试，记录了开环和闭环状态下的波形。调试结果表明，在本文设计的u p s 逆变电 源控制系统的协调下，可以使得u p s 整机正常工作，i g b t 驱动信号和可控硅控制信号正 常，输出信号可以精确地跟踪市电频率，并且保持相位一致，同时输出电压抑制了输入电 压中的高次谐波，改善了电网的质量。 本文设计的u p s 逆变电源控制系统具有普遍性，电路板既可以用于三相输入三相输出 的u p s ，也可以用于三相输入单相输出的u p s ，只需在软件上稍作改动即可。控制系统本 身不受u p s 功率的限制，对于大功率和小功率u p s 都可适用。 关键词：正弦脉宽调制s p w m ，t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 ，数字化精准控制，功率型逆变电源， 电力电子系统 a b s t r a c t u p s ( u n i n t e r r u p t e dp o w e rs u p p l y ) i sa ne l e c t r i c a le q u i p m e n tt h a tc a np r o v i d ee m e r g e n t p o w e rs u p p l yb yu s eo fs t o r a g eb a t t e r yw h e np o w e rf a i l u r e i na d d i t i o n ，u p sc a ni m p r o v et h e q u a l i t yo fm a i n sp o w e rs u p p l y o u rc o u n t r yh a sl a r g ed e m a n df o ru p s t h ea n n u a ls a l e so f u p sr e a c ht o6b i l l i o ny u a n t h ed e m a n di sc o n t i n u o u s l yl a r g ei nt h ef i e l do ft e l e c o m m u n i c a t i o n a n df i n a n c ea n db e g i n st or i s ei nt h ef i e l do fm a n u f a c t u r i n g ，t r a n s p o r t a t i o na n d e n e r g ys o u r c e t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h es t r u c t u r eo fu p s ，a n a l y z e st h ef u n c t i o na n do p e r a t i o n p r i n c i p l eo f e a c hp a r to fu p sa n ds t u d i e st h ek e yt e c h n i q u ef o ru p si n v e r s i o nc o n t r 0 1 t h eu p s i n v e r s i o nc o n t r o ls y s t e mb a s e do nd s pi sp u tf o r w a r d t h es y s t e mi sc o m b i n e dw i t hh a r d w a r e d e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g na n di ss u i t a b l ef o rd i g i t a la c c u r a t ec o n t r 0 1 i nt e r m so ft h eh a r d w a r ed e s i g no fu p si n v e r s i o nc o n t r o ls y s t e m ，t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 ，t h e3 2 一b i t d s pm a n u f a c t u r e db yt i ，i su s e dt oc o n t r o li n v e r t e ra n dg e n e r a t ed r i v es i g n a lf o ri g b ta n ds c r e p m 2 4 0 t10 0 c ，t h eh i g hp e r f o r m a n c ea n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o nm a n u f a c t u r e db ya l t e r a ，i s u s e df o ri n t e r f a c ee x t e n s i o na n dp h a s es h i f to fd r i v es i g n a l t h es c h e m a t i c sa n dp r i n t e dc i r c u i t b o a r da r ed e s i g n e di nt h ee n v i r o n m e n to f a l t i u md e s i g n e r a n t i i n t e r f e r e n c em e t h o d sa r ea d o p t e d t oe n h a n c es y s t e ms t a b i l i t y t h es o f t w a r ed e s i g nf o c u s e so np r o g r a m m i n gf o rd s pa n dc p l d d s pg e n e r a t e ss p w m s i g n a la n ds c rr e c t i f i c a t i o ns i g n a l ，s a m p l e sa n a l o gp a r a m e t e ro fi n p u ta n do u t p u tt om o n i t o r s y s t e ms t a t e c p l ds h i f t st h es i g n a lg e n e r a t e db yd s et h es o f t w a r ea c h i e v e ss o f ts t a r t ，d r i v e s i g n a lg e n e r a t i o n ，a n a l o gp a r a m e t e ra c q u i s i t i o na n ds y s t e mp r o t e c t i o n a f t e rh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g n ，t h ec o n t r o lb o a r di sj o i n t - t e s t e dw i t hu p s t h e w a v e f o r mi sr e c o r d e di nt h es t a t eo fo p e n - l o o pa n dc l o s e l o o p t h er e s u l ts h o w st h a tu n d e rt h e c o o r d i n a t i o no fu p si n v e r s i o nc o n t r o ls y s t e md e s i g n e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ，i g b td r i v es i g n a la n d s c rc o n t r o ls i g n a lc a nb ec o r r e c t l yg e n e r a t e ds ot h a tu p sc a nw o r kn o r m a l l y t h eo u t p u ts i g n a l c a na c c u r a t e l yt r a c et h ef r e q u e n c yo fm a i n sp o w e rs u p p l y , k e e p i n gt h ep h a s ec o n s i s t e n t w h a t s m o r e ，t h eo u t p u ts i g n a li m p r o v e st h eq u a l i t yo fm a i n sp o w e rs u p p l yb yr e d u c i n gh i g hh a r m o n i c w a v e t h eu p si n v e r s i o nc o n t r o ls y s t e md e s i g n e di nt h i sd i s s e r t a t i o ni sg e n e r a lt ov a r i o u st y p e so f u p s t h ec o n t r o lb o a r dc a nb eu s e di nb o t ht h r e e p h a s e - i n p u tt h r e e p h a s e o u t p u tu p sa n d t h r e e p h a s e i n p u to n e - p h a s e - o u t p u tu p s ，w h i l et h es o f t w a r es h o u l db em o d i f i e do n l yal i t t l e t h e k e yw o r d ：s p w m ，t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 ，d i g i t a la c c u r a t ec o n t r o l ，l a r g e p o w e ri n v e r t e r ， p o w e re l e c t r o n i c ss y s t e m 目录 第一章绪论1 1 1 选题的背景和意义1 1 2u p s 逆变电源的分类2 1 3 u p s 逆变电源的发展趋势和数字化控制的意义o 5 1 4 本文的研究目标和内容安排6 第二章三相在线式u p s 的系统结构8 2 1 在线式u p s 的组成部分8 2 2 在线式u p s 的工作原理10 2 3 关键技术11 2 3 1s p w m 正弦脉冲宽度调制11 2 1 3 2 三相可控硅整流1 4 2 4 本章小结l6 第三章u p s 逆变电源控制系统的硬件设计1 7 3 1t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 简介1 7 3 2 系统整体电路设计及资源分配1 9 3 3 单元电路设计2 1 3 3 1 电源电路2 l 3 3 2 外围时钟电路2 3 3 3 3 j t a g 边界扫描2 4 3 3 4 s c i 串口通信接口2 5 3 3 5 a d c 采样信号接口2 6 3 3 6 c p l d 相关电路：2 8 3 4p c b 电路板设计3 0 3 5 本章小结3l 第四章u p s 逆变控制系统的软件设计3 2 4 1 系统软件的总体设计3 2 4 2 系统初始化模块，3 3 4 3 软启动模块3 4 4 4 输出波形控制3 4 4 4 1s p m 脉冲3 4 4 4 2 整流控制信号3 7 4 5a d c 采样和系统监控模块3 8 4 6 本章小结4 0 第五章系统调试4 l 5 1 开环调试4 1 5 2 闭环调试4 2 5 3 本章小结4 6 第六章总结和展望4 7 附录u p s 逆变电源控制系统原理图和p c b 图4 9 参考文献5 5 作者攻读硕士学位期间发表的学术论文5 7 致谢5 8 1 1选题的背景和意义 第一章绪论 随着信息科技和电了电力技术的迅猛发展，各式各样的用电设备层出不穷，而绝大多 数用电设备是非线性负载，它们从电网获取的电流和电压波形不一致，因此给电网带来的 极大的谐波危害，造成供电质量愈来愈差。在一些重要公用事业单位，诸如医院、机场、 高架、隧道银行等，对供电质量的要求越来越高。还有些特殊的电力设备，比如服务器、 数据中心、通信基站等，不仅要求3 6 5 x 2 4 连续供电，还对电源信号的电压、幅度、频率等 参数提出了精准的要求，以确保设备的正常运行。u p s ( u n i n t e r r u p t i b l ep o w e rs u p p l y ) 正是 在这种背景下应运而生。 u p s 逆变电源是一种电力设备，当输入电源，尤其是电网供电出现故障时，为负载提 供应急供电。u p s 与应急电力设备、备用电源的区别在于u p s 在电源故障发生的同一时刻 或者几乎同一时刻为负载供电。对于小功率负载，u p s 利用挂载的电池和相关电了电路产 生电源，对于大功率负载，u p s 使用内燃机发生器和调速轮发电。一般来说，u p s 的蓄电 池可以维持u p s 在市电掉电情况下继续工作5 1 5 分钟，但在这段时间内换上备用发电机或 是关闭用电设备已经足够充裕了【l 】。在u p s 系统中，结合高质量的逆变器和精准的数字控 制技术，u p s 在某些程度上也解决了市电电网中存在的种种问题，例如电压浪涌、尖峰电 压、欠压、频率不稳定、谐波干扰等。 在我国，u p s 的需求量不断攀升，u p s 的应用范围也越来越广泛。根据相关统计，在 2 0 0 7 年和2 0 0 8 年中，中国u p s 电源市场的总体销售额分别达到了6 0 亿元、6 5 5 亿元【2 j 。 从使用u p s 的行业分布来看，除电信、金融、通信等行业依旧规模巨大之外，一些以往在 市场上份额不大的行业，例如制造业、交通业、能源业等行业，对u p s 的需求量呈现逐年 增加的趋势【3 1 。特别是一些中小型企业的大规模崛起，带动了u p s 的市场进一步繁荣。2 0 0 8 奥运会的举办推动了u p s 的发展。尽管金融危机一度使得u p s 的生产和销售规模下滑，但 是u p s 的生产企业通过融资、自身的技术创新和管理改革等手段，从容面对，把对市场的 影响降到最低。 t 1 2u p s 逆变电源的分类 u p s 逆变电源的分类方式有很多，按照工作原理分，有动态式和静态式；按照输入输 出方式分，有单相输入、单相输出，三相输入、单相输出，三相输入、三相输出；按照功 率大小分，有小功率型( 5 k v a 以下) ，中功率型( 5 k v a 。3 0 k v a ) ，大功率型( 3 0 k v a 以上) 【4 】 o 在国际电工委员会( i e c ，i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 于1 9 9 9 年制定标 准i e c 6 2 0 4 0 中，根据u p s 不同的结构和性能，把u p s 分成3 类：被动后备式，在线互动 式和双转换式【5 1 。 ( 1 ) 被动后备式( p a s s i v es t a n d b y ) 被动后备式u p s 是最基本的不间断电源形式。在这种形式下，市电直接连接 到用电设备，在市电正常的情况下，用电设备的供电由市电直接提供，充电电路为 蓄电池充电。当市电降低到u p s 预先设定的阈值时，被动后备式u p s 开启d c a c 逆变器，逆变器由内部蓄电池组供电。然后u p s 调节输出端的开关，将用电设备 的供电由市电直接供电改成了d c a c 逆变器的输出供电。这一转换过程的时间通 常是几十个毫秒，时间长短取决于u p s 对于市电供电不足的反应快慢。图1 1 ( a ) 和图1 1 ( b ) 分别表明了被动后备式u p s 在市电正常情况下和市电过压、欠压及功率 不足情况下的工作原理。 ( 2 )在线瓦动式( l i n e i n t e r a c t i v e ) 在线互动式u p s 的工作原理和被动后备式u p s 的工作原理大致相同，但前者 比后者增加了多接头电压可调式自藕变压器，如图1 - 2 ( a ) 和图1 - 2 ( b ) 所示。这种变 压器是一种特殊的电力变压器，它可以根据输入电压的大小，通过增加或者减少耦 合线圈的圈数，提高或者降低变压器的输出电压。 市f 乜输入 世，色蚓q 一卜溉k 甄。；锅，溯 ( a ) 市电正常时被动后备式u p s 的工作原理图 ( a ) p a s s i v es t a n d b yu p sr u n n i n gp r i n c i p l ew h e nn o r m a la cs u p p l y 2 各 市r 乜输入 r 1 8 叫知惴卜 蓄电池组 q 逆警器， 各 ( b ) 过压、欠压和功率不足时被动后备式u p s 的工作原理图 ( b ) p a s s i v es t a n d b yu p sr u n n i n gp r i n c i p l ew h e no v e r u n d e rv o l t a g eo rp o w e rl o s s 图1 - 1 被动后备式u p s 的工作原理图 f i g l 一1 p a s s i v es t a n d b yu p sr u n n i n gp r i n c i p l e ( a ) 市电正常或稍有波动时在线互动式u p s 的工作原理图 ( a ) l i n e - i n t e r a c t i v eu p sr u n n i n gp r i n c i p l ew h e nn o r m a la cs u p p l yo rs m a l lo v e r u n d e rv o l t a g e c o n d i t i o n ( b ) 市电大幅波动时在线互动式u p s 的工作原理图 ( b ) l i n e i n t e r a c t i v eu p sr u n n i n gp r i n c i p l ew h e nl a r g eo v e r u n d e rv o l t a g ec o n d i t i o n 图1 2 在线互动式u p s 的工作原理图 f i g1 - 2l i n e i n t e r a c t i v eu p sr u n n i n gp r i n c i p l e 在线互动式u p s 允许输入电压在小范围内波动，无论电压偏高还是偏低，只 3 ( 3 ) 要在变压器允许的范围之内，u p s 就不会切换成蓄电池逆变供电，以节省有限的蓄 电池能量。系统通过自动改变输入电压的接头补偿输入电压的偏差。 双转换式( d o u b l ec o n v e r s i o n ) 双转换式u p s 又称为在线式( o n l i n e ) u p s ，之所以称为在线式，是因为无论 市电质量如何，用电设备的供电都要经过逆变器，也就是说，逆变器始终处于工作 状态，如图1 3 所示。双转换指的是整流和逆变，即电网电压经过了交流到直流， 再从直流到交流的两次变换。即使在市电电网完全正常的情况下，整流器的输出电 压直接驱动逆变器。双转换式u p s 增加了旁路电路，如果系统出现故障时，可将 输出端切换到旁路供电，便于系统的检修而不影响用电设备的供电。 双转换式u p s 通常用于要求电气隔离的环境和对功率浮动敏感的设备。双转 换式u p s 的功率大到几十千瓦，小到几百瓦，可以满足各种应用的需要。双转换 式u p s 的价格比较昂贵，常用于工业设备、数据中心等电力环境嘈杂的大型负载。 双转换式u p s 的蓄电池组始终和逆变器相连接，以至于不需要转换开关。如 果市电电网供电不足，蓄电池组可以维持电压的稳定性，这时候整流器不起作用。 当电压恢复时，整流器输出电压重新驱动给逆变器，市电通过充电器给蓄电池充电。 双转换式u p s 经过a c d c 和d c a c 两次变换之后，在输入电网和电器设备 间树立了一道隔离护栏，使得电器设备不受电网电压波动的影响。与被动后备式和 在线互动式相比，双转换式有效的改变了电网质量不稳的问题，不论输入信号如何， 都可以根据需求改变输出信号的幅度和频率。 旁路 图1 - 3 双转换式u p s 结构图 f i g1 - 3s t r u c t u r eo fd o u b l es t r u c t u r eu p s 4 随着半导体技术的迅猛发展，u p s 的功率开关器件经历了从可控硅，大功率场 效应管，到i g b t 的演变。开关器件的更新换代，使得器件转换时间不断缩短，器 件承载的电流强度不断增加。i g b t 可以使切换速度达到5 0 k h z ，从而实现了u p s 电源的高频化。 ( 2 )冗余并联化 u p s 的一个发展方向就是并联，多台u p s 逆变电源并联运行给负载供电。u p s 逆变电源并联主要应用于小功率的u p s 逆变电源和大功率用电设备。多台u p s 并 联工作，既可以随意配置u p s 的总功率，也提高了系统的可靠性。即使有一台u p s 机器发生故障，其他u p s 同样可以保证负载的正常运作。 ( 3 )绿色化 u p s 逆变电源除了为供电设备提供应急供电之外，也有效地改善了负载供电质 量。输入端高效的滤波电路和输入功率因数校正电路，有效地抑制了电路本身的谐 波信号，改善电网电力污染。 ( 4 )智能化 微处理器的广泛应用推动了u p s 智能化的进程。将微处理器应用在u p s 逆变 电源中，为u p s 提供了很多智能化的监控和检测，例如实时监控、故障处理、远 程遥控等。这些智能化的理念更加丰富和完善了u p s 的功能。 传统的u p s 控制电路采用模拟电路为主的元器件，存在以下不足之处【9 】： 1 模拟电路多采用分立元件，电路板的设计和制作的难度较大，电路制作的成本较高。 2 模拟器件容易产生老化，相同器件一致性差，器件的性能容易随着温度的变化而变化。 3 模拟集成芯片虽然可以帮助降低电路设计的复杂程度，但需要依靠外接电阻电容等元 器件实现环路控制，而这些元器件的不稳定性会影响环路控制的精准度和电路的性能。 4 以模拟器件为主的电路需要调整参数。 本文采用t i 高性能数字信号处理芯片t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 作为u p s 逆变电源反馈控制处理 器，使得逆变控制系统运算速度快，外围辅助电路少，算法控制精准，系统集成度高。采 用高性能d s p 设计电路的优越性体现在以下几个方面1 0 】f l l 】： 1 系统设计方便。可以在d s p 中植入逆变控制算法，高效智能的控制算法取代了原先繁 杂的硬件模拟电路。系统升级也十分方便，可以在线调试，在线更新d s p 算法，而不 用修改外围电路。 2 输出信号质量稳定。由于采用了d s p 作为u p s 的系统控制单元，实时采集逆变之后的 电压i 幅度、相位、频率等信息，根据控制算法调整s p w m 波形的参数，使得输出电压 波动范围小，波形失真度低。 3 d s p 通过a d c 接口与系统相连，采集系统电压、电流、相位等参数，通过g p i o 和 p w m 发出控制信号，控制开关器件，维持系统运作。 4 系统维护方便。可以把系统监控模块嵌入在d s p 中，一旦系统出现问题，可以记录下 运行出错时系统的各种信息，方便维护人员排查检修。 5 通信接口丰富，易于联机。d s p 芯片自带了多种通信接口，容易实现人机交互界面， 也可以实现多个设备的联机监控和调试，易于实现u p s 网络化运行。 1 4 本文的研究目标和内容安排 本文分析了u p s 的整体结构、组成部分以及逆变控制模块实现的关键技术，对u p s 逆变控制系统进行了硬件电路设计和软件设计。本文的内容安排如下： 第一章绪论 简要介绍u p s 的分类、发展趋势、项目研究的背景和意义，提出了基于d s p 的数字化 u p s 逆变电源的控制方案。 第二章三相在线式u p s 的系统结构 介绍了在线式u p s 的基本组成部分，讨论了每个部分的功能和作用。在此基础上分析 了在线式u p s 的工作原理以及逆变控制过程中的关键技术。 第二章u p s 逆变电源控制系统的硬件设计 设计了基于d s p 的在线式u p s 逆变控制系统的硬件电路，采用t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 作为丰 控芯片，利用其丰富的外围接口和高性能的3 2 位运算能力，结合e p m 2 4 0 t 1 0 0 c 做接口扩 展和相位变换。文中详细介绍了电源电路、时钟电路、s c i 通信电路、a d c 采样保护电路 等单元电路模块，并在a l t i u md e s i g n e r 下完成了原理图设计和p c b 电路板设计。 第四章u p s 逆变电源控制系统的软件设计 从u p s 软件的功能入手，把u p s 逆变控制的软件系统分成初始化模块、软启动模块、 输出波形控制模块、a d c 采样模块以及保护和监控模块。文中详细分析了各个模块的实现 6 方法和功能，在c o d ec o m p o s e rs t u d i o 和q u a r t u si i 环境下对d s p 和c p l d 进行编程。 第五章系统调试 给出了在开环和闭环工作模式下的系统输入输出的关键点波形，i g b t 驱动控制信号， 可控硅驱动控制信号，软启动过程示意图等。调试结果证明，在本文设计的u p s 逆变电源 控制系统的协调下，u p s 整机正常工作，输出信号精确地跟踪市电频葺夏，保持相位一致， 并改善了电网的质量。 第六章总结和展望 对u p s 逆变控制系统的软硬件设计进行总结，并提出进一步的研究方向。 7 第二章三相在线式u p s 的系统结构 2 1 在线式u p s 的组成部分 在线式u p s 逆变电源一般包含以下组成部分：输入整流滤波电路，功率因数校正电路， 蓄电池组、充电电路、逆变电路、静态开关电路、人机交互、微控制器。在线式u p s 的系 统框图如图2 1 所示【1 2 1 。 流频率 流频率 流 图2 - 1u p s 系统框图 ， f i g2 - 1b l o c kd i a g r a mo fu p ss y s t e m 输入整流滤波电路 在线式u p s 的整流电路，是将输入的交流电转换成直流电，为下一步逆变做 准备。同时，整流之后的直流电经过降压处理还可以为蓄电池组充电。整流的方式 有两种，一种是利用可控硅和大功率二极管作为整流器件，有半桥整流、全桥整流、 6 脉冲整流、1 2 脉冲整流等方式。另一种是采用隔离变压器，把市电降压之后再用 二极管桥式整流。前者常用于大功率u p s ，后者用于小功率u p s 。 整流之后的电信号只是一个带有波纹的直流信号，除了直流成分以外，还有交 流成分。滤波电路可以抑制整流之后的交流信号，将带有波纹的直流信号变成平滑 的直流信号。常用的滤波电路有r c 滤波，l c 滤波等。 ( 2 ) 功率因数校正电路 功率因数p f ( p o w e rf a c t o r ) 指的是交流输入有功功苷墨p 和视在功率s 的比值， 即： p f = = p s 在u p s 系统中，交流输入信号经过整流后，直接加到滤波电容和蓄电池两端。 如果交流输入信号的电压幅度高于滤波电容两端的电压时，滤波电容开始充电。这 就在电容器和充电器间形成了脉冲电流，导致了高次谐波的形成，使得功率因数下 降，对电网造成干扰。功率因数校正电路就是为了提高系统输入端的功率因数，抑 制高次谐波对电网的干扰，使得电网输入电流和输入电压接近同相位【1 2 】。 ( 3 )蓄电池组 ( 4 ) ( 5 ) 蓄电池组作为最为常用的储能装置，广泛应用在u p s 中。在市电正常时，通 过直流电对蓄电池组充电，将电能转换成化学能。在市电中断时，蓄电池为u p s 提供应急能源，将存储的化学能转换成电能。 当u p _ s 正常工作时，蓄电池组是按照连续浮充的方式充电的，整流器和蓄电 池组并联工作。逆变电路的输入直流信号是由整流器供给，同时，整流器也供给一 部分电流到蓄电池组，作为电池放电消耗的补偿 1 2 】。除此之外，浮充充电的方式还 可以改善u p s 的瞬态响应。如果u p s 的负载电流在短时间内增加，蓄电池组可以 提供很大的放电电流。 充电电路 u p s 的充电分为两个阶段，在充电初期采用恒流充电的方式，当蓄电池组的电 压达到浮充电压之后，充电器改成恒压充电的方式。充电电路有采用开关器件的， 也有采用可控硅整流器件的，这取决于u p s 的功率。充电方式的切换是由控制芯 片完成的。控制芯片在充电过程中检测两个物理量：电池电压和电池电流。通常， 充电器的工作式独立于逆变器的，只要u p s 的电源接通，充电电路就处于工作状 态，开始为蓄电池充电【1 2 】。 逆变电路 逆变是把整流之后的直流电转换成交流电，传输给负载提供电源。逆变之后的 交流电消除了市电的尖峰、浪涌、谐波干扰等不稳定因素。逆变的丰要器件是i g b t 9 大功率器件，微处理器通过s p w m 波驱动i g b t ，输出交流信号，经过滤波之后供 给负载使用。 ( 6 )静态开关 静态开关作为旁路供电和逆变供电的切换装置，不仅起到了转换的作用，还对 负载和逆变器起到了有效的保护作用。如果u p s 输出过载，那么静态开关为了保 护逆变器，会将负载供电切换成市电供电。如果逆变器出现故障时，为了保护负载， 静态开关也会将负载供电切换到市电。小功率u p s 采用继电器作为静态开关，本 文采用的是可控硅作为静态开关，一对反向并联的可控硅就可以作为转换器件使 用，转换时间为微妙级。 ( 7 )微处理器 微处理器是u p s 的核心，在整个u p s 中起到了控制的作用，是整部机器的控 制中心。本文采用的是t i 生产的高性能d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 作为u p s 的控制 单元，d s p 的e p m w 端口输出s p w m 波驱动i g b t ，a d c 通道对系统的各种参量 进行采样，包括输入信号、反馈信号的电压、电流和频率，电池的充电电压和充电 电流等参数。d s p 的i o 通道作为各种开关量的控制端，根据系统的运行状况实时 地驱动系统内部各个开关，调节系统正常运作。d s p 内部的通信单元作为与人机交 互界面的通信接口，方便用户更直观的使用u p s 设备。 ( 8 )人机交互 人机交互作为可视化界面，方便用户操作u p s 设备，实时获取u p s 的工作状 态，设定u p s 的工作模式。本文界面采用大屏幕触摸屏，图形化的操作界面，用 户可以从中了解到u p s 设备运行的历史记录和日志【13 1 。 2 2 在线式u p s 的工作原理 在线式u p s 的开机是一个软肩动过程，输出信号平稳变大，避免由于输出信号瞬间变 化过大而导致负载损坏或者输出异常。软肩动过程结束后，系统开始正常工作【l2 1 。u p s 正 常工作时有以下几种情况： ( 1 ) 当市电正常时，逆变器的工作电压由市电经过整流滤波后提供，d s p 控制电路产生 s p w m 信号驱动逆变器，将直流信号转换成纯净的正弦波信号输出给负载。同时，市电经 过整流和滤波之后，送至蓄电池充电电路，给蓄电池充电，蓄电池电压不提供给逆变器。 市电经过整流、逆变、滤波之后，输出波形稳定的高质量正弦波到负载。d s p 控制器不断 1 0 地采集输入和输出端电压的幅度和频率，并根据算法实时修正输出信号的波形。 ( 2 ) 当市电发牛故障时( 市电超过或者低于系统设定的阈值) ，逆变器仍然工作，但是逆 变器的工作电压由蓄电池提供。u p s 将蓄电池的电压转换成正弦信号输出，负载端用电的 能量全部来自于蓄电池存储的能量。 ( 3 ) 逆变器发生故障时，或者由于某些原因输出过载，系统将切换到旁路工作模式，这时， 负载由市电直接供电。通常情况下，逆变器出现故障时，系统会发出警报，提醒管理人员 即时修复。 总的来说，对于在线式u p s ，除了逆变器发生故障之外，输出端的信号总是由逆变器 提供。在市电出现故障时，系统迅速将逆变器的供电转换成蓄电池供电，u p s 的输出不会 有任何间断。在u p s 的输出端，以及整流器之后，通常都会接滤波电路，这样设计可以最 大限度地降低来自于市电的干扰，而逆变器的开关信号是由控制电路发出的，控制电路又 在根据输入输出信号的幅度和相位不断调整逆变器驱动信号的参数，所以在线式u p s 可以 输出高质量的稳定的正弦信号，确保负载工作电源稳定。 2 3 关键技术 2 3 1s p w m 正弦脉冲宽度调制 对于逆变器的输出电压，基本要求就是输出电压的基波分量大小可控，逆变器输出电 压波形的谐波分量尽可能小。本文采用正弦脉冲宽度调制技术( s p w m ) ，通过调节s p w m 的控制信号的频率和脉冲宽度，达到调节输出信号的基波电压幅度，改善输出电压的质量。 这种调控方法属于逆变器通过改变开关信号自身调节其输出波形的方法，是一种高效的控 制手段。 经典的采样控制理论中，有一条很重要的原理：冲量等效原理。大小、波形不同的窄 脉冲变量，例如电压，( f ) ，作用于惯性系统( 例如r 电路) 时，只要他们的冲量，即变量 对时间的积分相等，其作用效果相同，形成的电流响应也相同 14 1 。这就是s p w m 技术的理 论基础。也就是说，只要对逆变电路的开关器件进行适时的控制，在适当的时候开通或者 断开逆变电路的开关，每个时间段内的电压脉冲足够窄，输出的脉冲波形可以与正弦波的 效果相同。 本文的u p s 系统的三相逆变器由三个单相的逆变器组成。所以在研究逆变技术的时候， 仅以单相逆变为例，说明s p w m 的基本原理和实现方法。 单相逆变电路如图2 - 2 所示。其中，全控型开关器件q l 和q 4 同时导通，q 2 和q 3 同时 导通。0 1 和0 2 的驱动信号互补，0 _ 3 和q 4 的驱动信号互补，q l 、0 2 、q 3 、0