（电力电子与电力传动专业论文）eps应急供电系统研究.pdf

t h er e s e a r c ho fe p s e m e r g e n c y p o w e r s u p p l ys y s t e m a b s t r a c t w i t ht l l ec o n t m u o u sp r o g r e s so t t h ee m ，t h es o c i e t yh a st a k e no nm o r ea n dm o r e m o d e m i z 砒i o n a tt h es a m e t i m e ，t h ef b c u so fp e o p l e sf i r ep r a t e c t i o ni si n a e a s i n gw i m i t i nr e c e n ty e a r s ，e p sp o w e rs u p p l ys y s t e mi s 埘d e l yu s e di nn r ef i g h t i n ga r l d e m e r g e n tl 噜h t i n gc a s e sb e c a u s eo fi t s e d o m i n a l l tp e r f o r n l a n c ea 1 1 dg o o de n v i r o n m e n t p r o t e c t i o n c o m p a r e d 谢t he p s ，u p sh a st h ec 印a b i l i t yo fp r o v i d i n gu n i m e r r u p t i b l e p o w e r f o rl o a d s ，鼬e 仃1 1 0 r e ，t og e th i 曲q u a l i t yp o w e ro f o u t p u tv o l t a g e ，“h a st od e a l w i t ht h em p u tp o w e r ，s u c ha ss t a b i l i z i n gv o l t a g e ，丘l t e r i n gr 坤p l e ，e t c nu s u m l y a p p l i e s t ot h cp o w e rp r o v i s i o no fp r e c i s ea p p a m t u sl i k ec o m p u t e r ，c o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t a 1 1 dn e t w o r k e q u i p m e n t ，e t c a sar c s u l t ，t h ec o s to f u p s i sh i g h e rr e l 砒i v e l y m i l ee p s n e e dn o ts t a b i l i z em ei n p u tp o w e r ，u s u a l l yb e i n gf i tf o rm e1 0 a d sw i l i c hd on o tr e q u i r e 1 1 i g hq u a l i t yp o w e lw h e nt h ei n p u tp o w e ri sa b n o 舯a 1 ，“c a i lb eu s e da se m e r g e n c y p o 、v e l g e n e r a l l y ，t h er e q u i r e m e mo fe p s sr e l i a b i l i t yi sh i g ha n dt h ec o s ti sl o w c o m p a r a t i v e l y t h i s p a p e r s t u d i e st h eo p e r a t i n gp r i n c i p l ea n db a s i cc o m p o n e n t so f e p s s y s t e ma s f o l l o w i n gp o i n t s ： 1 a c c o r d i r 培t ot h er e q u e s to fag i v e na p p l i c a t i o nc a s e ，m ei m p l e m e n tp r o j e c t so f i n v e n i n c h a 西n g a n d s w i t c h i n ga r eg i v e ni nt h i sp a p e l 2 t 0i m p r o v et h ea d a p t i o nc a p a b i l i t yt oa l lk i n d so fl o a d s ，m ef a c t o r so fa c t i n g s y s t e m sp e r f o m m c e a n d r e l i a b i l i t y ，i n c l u d i r 培t h ec o m p e n s a t i o no f d e a dt i m e ，t h e m o d eo f s 、v i t c h i n gc o n t r o l l i n g ，t h ec o n 呐l l i n gm c 也o do fi n v e r t e r e t c ，a r es t u d i e d 缸胁e 丌n o r e ，廿1 ec o n t r o im o d e s o f l a r g es t a n i r 培c u r r e n t1 0 a d sa r er e s e a r c h e du i l d e r t h er a t e dv o l t a g ea n dt h es e t n e m e n t p r o j e c t sa r eg i v e na c c o r d i n g l y _ 3 t og u a r a n t e er e a l i a b i l i 吼w ed e s i g nak i n do f b 毗e r y c h e c k i l l gu n “i 1 1t h i ss y s t e m i na d d i 畦o n ，t oe l 扛n i n a t et h eb a de f r e c t so fh a n n o n i cc u r r e n tw h i c ha r ec a u s e db v t h ec h a 唱e r a c h a 唱e r 、v i t hp f c f c t i o ni sd e s i g i l e df o r b a t t e r yi nt h i sp a p e l 4 a l i q u i dd i s p l a ys u b s y s t e m w i t t lt h em n c t i o no f k e y b o a r d o p e r a t i n gi sp r e s e n t e di n t h ep a p e ra 1 1 dt 1 1 eu s e rc a nm o 由t o rt h e s y s t e m ss t a t e st 1 1 r o u g hi tc o n v e 撕e n t l y k e y w o r d s ：e m e r g e n c yp o w e rs u p p l y ；s p w m ；d e a da r e a ；b a n e i yc h e c k i n g u n i t k e y b o a r dm o m t o r i n g 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符 合合肥工业大学硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名 主席：方f 西己幸例p 0 孺孑纬砀形矽砀孝冕 委员： e 一 其中： f o ) = j ! 生口。m u b l u c l ，此时，s c r l 模块的1 管、s c r 2 的2 管和s c r 3 的2 管承受正压而导通；在t 2 时刻，u b 2 u a 2 u c 2 ，此时，s c r l 模块的2 管、s c r 2 的l 管和s c r 3 的2 管承受正压而导通；在t 3 时刻， u c 3 u a 3 u b 3 ，此时，s c r l 模块的2 管、s c r 2 的2 管和s c r 3 的l 管承受正 压而导通；由此可见，通过相电压间的电位差可以很方便地实现各晶闸管模块 的自然换相，这样三相交流电u a 、u b 、u c 就可以通过s c r 模块给负载供电了。 图4 2 为二相e p s 切换电路示意图，u a 、u b 、u c 为逆变器的三相输出电压， u a 、u b 、u c 为三相市电旁路电压，两路电源分别经s c r 模块后，i 司相输出端连 在一起给负载供电；三相e p s 切换电路的工作原理是：当市电正常时，控制电 路对三路市电电压进行检测后，发控制信号给触发电路，触发电路封锁s c r l 、 幽4 2逆变供电与市电旁路供电切换电路原理图 s c r 2 、s c r 3 模块的触发脉冲，使模块停止工作，此时，逆变器不向负载传输功 率，逆变器处于待机状态，由于晶闸管模块换相是依靠电网实现的，为确保模 块s c r l 、s c r 2 、s c r 3 可靠地关断，经过一段时间延时( 约为2 0 m s 左右) ，控 制电路检测负载电流为零后，发出控制信号使s c r 4 、s c r 5 、s c r 6 模块开通，实 现由市电旁路给负载供电：类似地，当市电故障时，触发电路会封锁s c r 4 、s c r 5 、 s c r 6 ，等到检测负载电流为零后开通s c r l 、s c r 2 、s c r 3 ，由逆变器对负载供电， 实现了由市电旁路供电向蓄电池逆变供电的切换。 4 1 2 晶闸管模块的触发电路 由于不同应用场合对切换时间的要求不同，e p s 系统所采用的切换元件也 不相同，其对应的触发电路也会有所不同。考虑到晶闸管触发信号的特性以及 主电路和控制电路之间的隔离问题，可采用由脉冲变压器所组成的触发电路。 图4 3 是由脉冲变压器所组成的三相触发电路。k 1 和k 2 是控制电路发出 的切换控制信号，k l 、k 2 通过r s 触发芯片4 0 8 1 实现输出互锁，防止两路晶闸 管模块同时被触发导通，k 1 、k 2 均为低电平有效。对照图4 2 所示的切换电路， k l 控制s c r l 、s c r 2 、s c r 3 模块的触发，k 2 控制s c r 4 、s c r 5 、s c r 6 的触发：具 体实现过程为：当检测电路刚检测到三路市电恢复正常时，控制电路首先发控 制命令使k 1 = l ，k 2 = l ，此时4 0 8 l 的输出为低电平，它与n e 5 5 5 p 发出的恒定占 空比p w m 脉宽相与后仍为低电平，v t l 管关闭，与之相连的脉冲变压器t r a n s l 、 t r a n s 2 、t r a n s 3 停止工作，从而停止了对s c r l 、s c r 2 、s c r 3 模块的触发。这 时，由于k 2 也为高电平，所以s c r 4 、s c r 5 、s c r 6 也呈截止状态。为确保s c r l 、 s c r 2 、s c r 3 关断，需要经过一段时问延时，通过施加相电压间的反向电压使它 们可靠地关断，此时逆变器停止对负载供电，控制电路置k 2 为低电平，开通 v t 2 ，脉冲变压器t r a n s 4 、t r a n s 5 、t r a n s 6 开始工作，触发s c r 4 、s c r 5 、s c r 6 使之导通，负载由市电供电；类似地，当检测电路检测到市电任一相故障时， 司f 葡节 。 啦。一 鹱1茸每毒； 二”庐器 驴笆鹱 。l r r 卜 豳艇 剥r # 0 牛一 立七竭f 毽 + i 滞 群 。户晶碹麓 。 赢 一l ”丰一严卞- 图4 3晶闸管的触发电路 控制电路会发控制命令给触发电路，停止触发s c r 4 、s c r 5 、s c r 6 ，在s c r 4 、s c r 5 、 s c r 6 可靠关断后，再开通s c r l 、s c r 2 、s c r 3 ，由逆变器继续给负载供电。由以 上分析可以知道，控制电路通过对切换信号k 1 和k 2 的控制，就可以很方便地 对两组晶闸管模块进行触发，实现了市电供电和蓄电池逆变供电间的相互切换。 4 1 3 切换电路的控制方式 在市电供电与蓄电池逆变供电切换过程中，如果控制不当，会对负载造成 较大的电流冲击，甚至会引起环流。 ( 1 ) 逆变器输出电压和电网电压的锁相 对三相e p s 系统而言，其所带的负载大多为电动机负载，电动机的转动方 向由输入三相电压的相序所决定的，如果两路电源电压相序不相同，在切换时， 则会产生反向的电磁转矩，使电动机在极短的时间内实现制动，损耗非常大， 发热严重，很可能会烧坏电机：另外，即使= 三相市电和三相逆变器输出电压的 相序相同，但如果相位差很大，在切换时，负载两端的瞬时差相应会很大，这 样也会对负载造成很大的电流冲击；为防止损坏电机和对负载造成冲击，在系 统设计时，可考虑使逆变器输出电压和市电电压实现同频同相。切换电路的锁 相对单相e p s 系统而言，因为单相变压器不会影响输出电压的相位，其实现相 对简单，可以通过调整正弦表指针值来实现完全锁相：对三相e p s 系统来说， 由于三相y 变压器使输出电压和原边电压产生了3 0 度倍数的相位差，仅仅 靠调整萨弦指针不能实现完全锁相。对于一个工频周期( 3 6 0 度电角度) ，将 它3 0 等份，用参数n ( n = l ，2 ，3 ，【2 ) 表示等份数，将正弦表中的点数取 为1 2 的整数倍。在电网电压过零点时，可通过d s p 的捕捉中断捕捉该时刻， 然后通过调整正弦指针的数值来使两路电源的相序相同，这时逆变器输也电压 与市电电压之间的相位差为3 0 度角的整数倍，液晶监控电路通过调整n 的数 值就可以方便地改变逆变器输出电压的初始相位角，从而实现市电和逆变输出 电压的同频同相，这样在切换时就不会对负载造成冲击了。 ( 2 ) 控制方式 晶闸管是半控型器件，其关断是通过在阳极加负电压实现的。在三相切换 电路中，特别是当系统为感性负载供电时，如果对切换过程控制不当，晶闸管 没有完全关断，这时若开通另一组晶闸管启动另一路电源，在两路电源间会形 成环流而发生过流现象，这种情况尤常见于由逆变器供电向电网供电切换的过 程中。为避免出现这种情况，一般采用零电流切换和延时切换两种方式，确保 一路晶闸管可靠关断之后，再触发另外一路，这样就可以避免环流现象了。 4 2 e p s 系统的保护 为确保e p s 安全可靠地运行，系统在软件和硬件设计上均采取了保护措施， 具体有过热保护、过载保护、过流保护、蓄电池欠压保护、反馈信号丢失保护、 电源欠压保护等保护措施。 ( 1 ) 过流保护和电源欠压保护 为了保护逆变系统的功率器件，需要设计电源欠压保护和过流保护。以 i g b t 为例，由于擎住效应，通过i g b t 的电流过大会造成管子的损坏。实验证 明，当出现短路过电流故障时，如果保持驱动电压砟，为1 5 v 不变，5 0 a 的i g b t 能承受2 5 0 a 过电流冲击时削仅为5us ，所以当出现短路过电流时要求系统能 快速保护。过流信号的检测来源于霍尔传感器和智能驱动芯片。系统对直流侧 和交流侧电流进行采样，将电流信号采样后的电压值与给定电压相比较，采样 信号一旦大于给定电压值，经自锁电路向主控芯片发出中断请求，该中断请求 优先级别最高，主控芯片迅速响应封锁触发脉冲；当流过功率器件的电流过大 时，智能驱动芯片会使它慢速关断，同时，通过光耦隔离将过流信号发送到控 制电路，控制电路会迅速封锁触发脉冲。与软件保护相比，硬件保护会更加迅 速及时，过流保护必须要由相应的硬件保护电路来实现。 另外，对系统的丌关电源和驱动电源也要进行欠压保护检测，如果开关电 源欠压可能会引起系统不能正常工作，如果驱动电源发生故障，开关管不能】f 常地关断，也会引起开关管损坏。 ( 2 ) 蓄电池欠压保护 蓄电池在使用过程中，必须要对它进行欠压保护，否则会因为深度放电而 影响蓄电池的寿命。在e p s 系统中，充电器在市电正常时会以浮充方式对蓄电 池进行充电，蓄电池的充电最大电压是由充电器决定的，在充电器的设计时要 考虑蓄电池的过充问题。为了保护蓄电池，在逆变器工作过程中必须对蓄电池 电压进行监控，设置蓄电池的欠压保护点，但如果监控点只是设为某一定值， 则容易产生振荡。振荡原因是：在系统运行时直流侧电压会有所下降，这时如 果检测直流侧电压低于保护点而停止了系统运行，这时直流侧电压又会上升到 保护点以上，系统又继续运行，结果就出现停止、运行，运行、停止这种振荡。 为了避免出现这种振荡现象，在软件设计时要加入滞环。 ( 3 ) 反馈信号丢失保护 一般而言，不论单相e p s 还是三相e p s 系统，均只引入了一路电压反馈信 号( 组合式的三相系统除外) 组成闭环调节系统。若在运行过程中，仅有的这 路反馈信号丢失了，势必会迅速造成p i 调节器饱和，系统将以满调制度运行， 这时输出交流电压很高，会损坏设备。因此，系统在运行中应时刻检测反馈信 号，确信信号丢失就封锁输出。判断信号丢失的依掘是：如果当前调制波幅值 大于或等于最大幅值的半，而没有检测到输出信号或输出信号值特别小时， 系统有可能已发生了故障。反馈信号丢失保护是由软件来实现的。 ( 4 ) 过热保护 功率器件以较高的丌关频率工作，开关损耗大，自身温度同时会因此而升 高，但温度过高会对功率器件的工作特性产生影响，为了使丌关管i g b t 最大 限度地工作，应给1 0 b t 加散热片和风扇给其降温；考虑到降低系统功耗和噪 音，风扇不必要一直工作，可通过控制电路对其进行控制。当温度升高到一定 程度时才使风扇工作，温度将到一定时风扇停止工作，为避免出现振荡，风扇 启动点和风扇停止点之间需要设置滞环控制。如果系统温度过高到危及到功率 器件的安全时，控制电路将使系统停机，最高温度保护点可出软件设置。由于 系统温度的采样是由温度传感器完成的，为了防止发生意外，提高系统的安全 性，需要设置温度检测信号丢失保护，当温度检测信号丢失时，应该立即停止 系统工作。 ( 5 ) 过载保护 系统的过载时问长短体现了其抗短时冲击电流的能力。系统过流通常指由 于短路而引起的过电流，如果不及时保护，会造成器件损坏；系统的过载是区 别于系统过流的，它允许系统短时| 、日j 内在一定范围超过额定电流运行，使系统 具有抗短时冲击电流的能力。但是，若系统在过载情况下仍长时i 、日j 超负荷运行， 势必会影响系统的使用寿命，所以在设计时必须设置过载保护。过载保护是按 等效发热原理进行整定的，可以很方便地通过软件编程来实现。 第五章e p s 键盘监控系统 随着微电子技术和数字控制技术的进步，现代电源正朝着网络化、智能化、 自动化的方向发展。键盘监控系统作为人机对话的界面工具运用于e p s 系统中 是非常必要的，它不但给系统调试、使用及维修带来了很多便利，而且能够与 上位机进行通信，实现对系统的远程监控。它可以帮助用户及时准确地了解系 统的运行状态，方便用户对系统的操作使用；另外，利用监控系统的人性化功 能，系统调试和维修人员将大大缩短调试和维修时间。本文将选用5 1 系列单片 机w 7 7 e 5 8 作为主控芯片来阐述键盘监控系统的软硬件设计和基本功能。 5 1监控系统的硬件组成 键盘监控系统有独立的主控芯片和硬件实现电路，它与e p s 的逆变子系统、 电池巡检单元之问通过通信完成故障和运行状态显示、参数修改等功能。 以w 7 7 e 5 8 单片机为核心的监控系统硬件电路组成包括：x 5 0 4 5 接口电路、 按键电路、液晶显示接口电路、l e d 显示电路、电源电路、通信接口电路等。 5 1 1x 5 0 4 5 接口电路 x 5 0 4 5 是x i c o r 公司的c p u 监视芯片，它可以通过s p i 接口与单片机交换数 图5 一lx 5 0 4 5 与w 7 7 e 5 8 接口电路 据。x 5 0 4 5 芯片提供了四种功能，上电复位控制，看门狗定时器，输入电压监 控，b l o c k l o c k 的4 k 位e e p r o m 存储器保护阵列。x 5 0 4 5 是高电平复位，它适合 用于高电平复位的芯片。系统采用x 5 0 4 5 主要是为了在系统掉电时保存重要数 据和一些参数的修改值，这样可以避免重要数据的丢失，也可避免每次重新启 动时都要对一些参数进行重复性的设置。系统也可以将一些参数的默认值设定 在x 5 0 4 5 中，作为产品的出厂值使用。同时还使用了x 5 0 4 5 的可编程看门狗复 位功能，可以有效防止软件“跑飞”现象的发生，增强系统的稳定性。x 5 0 4 5 与w 7 7 e 5 8 之间的接口电路如图5 1 所示。 5 0 5 i 2 液晶、l e d 与霄7 7 e 5 8 间的接口电路 图j 一2 为单片机与液晶、l e d 间的连接图。c n 4 为液晶管脚图，1 、2 脚为 电源和地，d b 0 d b 7 为输入输出数据线，c s l 、c s 2 为片选择信号，r w 为读 写选择信号，d i 数据指令选择，e 读写使能，l e d a 、l e d k 为背景开关控制引 脚；v e e 脚上有l c d 内部产生的一1 0 v 负偏压，v 0 为背光亮度调节引脚，电阻r 2 与三极管q 1 组成背景灯的开关电路，c n 3 是可调电阻，用于调整背景灯的亮度。 另外，考虑到w 7 7 e 5 8 单片机的管脚资源丰富，为便于显示直观，还可运用l e d 分别用于显示电源和各种系统故障。 5 1 3按键电路 图5 2液晶、l e d 与w 7 7 e 5 8 间的接口电路 按键键盘采用非编码键盘。如图5 3 所示，k e y l 一k e y 4 为四键键盘，w 7 7 e 5 8 可以通过与按键相连接的i o 引脚电平的变化，柬捕捉相应的键值。无键按下 时，i o 引脚全为高电平；有键按下时，被按下键所对应的i 0 引脚变为低电 平，w 7 7 e 5 8 就可以获知是哪个键按下，然后进行相应地键值分析和处理。 5 1 4 通信接口电路 键盘监控系统的通信电路与e p s 逆变子系统的通信电路相对应，也采用m a x 4 8 5 掣蛇。睁由；牵； ：j 一一半篙 一j 丰馏 ：j ，二j = j x ， ：j ，二丁 = = 图5 3 按键电路 图5 4键盘监控系统的通信电路 m a x 3 0 8 2 作为通信芯片，w 7 7 e 5 8 传输的信号送到m a x 4 8 5 ，m a x 4 8 5 的四根线( 电 源、地、a 、b ) 再连到逆变系统中的m a x 4 8 5 相应的四根线。通信电路如图5 4 。 5 2 键盘监控系统的软件设计 硬件电路设计完成之后，系统的键盘操作、运行状态显示及通信等功能， 需要由软件来实现。系统的软件设计通常采用模块化结构，模块之间彼此独立 只是通过握手信号相互协调，便于调试和功能扩展。监控系统的主流程如图5 5 所示，系统的软件由初始化模块、键盘模块、液晶显示模块、通信模块等几个 部分组成，各个模块间通过入口参数和出口参数进行参数传递，来实现系统的 某种特定的功能；图5 5 所示为监控子系统的初始化模块流程图，主要作用是 完成对串行口、芯片端口、变量、标志及函数的定义和初始化，在对系统进行 初始化时，为避免引起误操作，要注意将单片机所有的中断屏蔽，等初始化过 程全部完成之后再将它们打开。本节将对键盘模块、液晶显示模块的软件设计 作简单的介绍，考虑到陈述的完整性，监控系统和e p s 逆变子系统之间串行通 信的实现将在下一章节中介绍。 图5 5主程序流程图及初始化模块流程圈 5 2 1键盘模块的软件设计 键盘模块完成对用户按键操作的识别，必须具有按键识别、按键值分析的 功能，键盘监控模块包括键值识别模块，键值分析模块和参数修改模块，流程 图5 6 键盘模块流群图 图如图5 6 所示。按键识别模块的功能是确定操作面板上是否有键按下，并将 按下的键值保存到一个键值存储单元中。为消除误判而造成多次重复地读取同 一键值，在软件设计时需要考虑对其进行去抖动处理；另外，为了实现参数设 置值的快速增减，识别模块要具有键速识别功能，键速越大参数增长越快，反 之越小。在确定有按键按下后，由键值分析模块完成对各按键的处理；通常而 言，键盘监控系统的液晶显示信息是呈树状图分布的多层次显示结构，键值分 析模块对各个层次结构的程序处理是不同的，要实现系统的监控功能，一般操 作面板要配备多个按键，如：确认键( 0 k 键) ，删除键( c a n c e l 键) ，向上翻动 键( u p 键) ，向下翻动键( d o w n 键) 等，软件编程时对各按键的处理也会随着 所显示层次的不同而不同。参数修改模块的功能主要是通过键盘操作来实现对 某些调试和控制参数的修改，系统可以专门在主控芯片的r a m 中开辟一块参数 专用存放区，存放用于调用的临时参数值，这些参数值可以来自于键盘模块或 x 5 0 4 5 ，也可以来自于通信模块；可以输出到液晶上显示，也可以由通信模块参 数与外界交换数据，如果参数需要保存，则存入对应的x 5 0 4 5 的e e p r o m 中。 5 2 2 液晶显示模块的软件设计 显示模块从显示缓冲区读取数据，并将这些数据送显示。对应液晶屏幕上 的显示位置开辟一系列缓冲区，这些缓冲区的值是键值分析模块、通讯模块和 显示模块之间的共同握手信号。缓冲区的值在键值分析模块和通讯模块中随键 值改变，显示模块只根据缓冲区的值显示。 显示模块可分为若干子程序，分别为层显示子程序、行显示子程序、汉字 显示子程序和清屏子程序。显示程序首先根据层变量确定所要显示的层次，然 后根据该层的特点并根据此时的行变量多次调用( 每页显示多行) 行显示程序， 行显示程序再根据所在行的行变量确定该行的字，根据事先已经编好的对应行 的字库表格再调用字显示程序完成行的显示，显示的数据则根据相应存贮区的 数据，调用将数字转化为相应a s c i i 码并显示的程序。另外，系统的显示为菜 单式显示结构，在菜单式操作中，为了实现对参数的选中，需要对选中的参数 要进行反显处理，将从参数代码表调用来的每一个点阵都取反后再送去显示， 便可以得到反显效果。 5 3监控系统与e p s 逆变子系统间的串行通信 监控系统的主要作用就是通过对面板按键的操作来控制和监视整个e p s 系 统的运行，如：系统的面板开关机控制、运行参数显示、故障显示、系统修正 参数设置以及蓄电池组的巡检结果显示等，而这些功能的实现必须通过系统主 控芯片之间的通信来完成。 5 3 1逆变控制系统的通信接口电路 键盘监控系统的通信接口电路在5 1 4 节中已做过简单介绍了。图5 7 是 逆变控制系统的通信接口电路，系统采用m a x 3 0 8 2 收发器芯片完成接口通信。 m a x 3 0 8 2 收发器芯片适合于r s 一4 2 2 r s 一4 8 5 通信标准，主要特点有：单十5 v 电源 供电：低功耗，工作电流1 2 0 5 0 0 ua ；驱动过载保护；通信传输线上可挂3 2 个收发器方便组成半双工通信电路；共模输入电压范围：一7 v 十1 2 v 。m a x 3 0 8 2 为8 脚封装，各引脚功能说明如下：1 ，r o 接收器输出，当a b 一o 0 5 v 时， r o 为高电平，当a b 一0 2 v 时，r o 为低电平；2 ，r e 接收器输出使能，为0 时，允许接收器输出；3 ，d e 驱动器输出使能，为1 时，允许驱动器工作；4 ，d i 驱动器输入，d i 为低时，a 为低b 为高；5 ，g n d 地；6 ，a 接收器非反相输入和 驱动器非反相输出端；7 ，b 接收器反相输入和驱动器反相输出端；8 ，v c c 电源， 系统可以采用与主控芯片电源独立的+ 5 v l 电源供电。考虑到通信的可靠性， m a x 3 0 8 2 的选择信号、收发信号都要经过光耦隔离，其5 、6 、7 、8 脚分别接到 图5 7 逆变控制系统通信接口电路 键盘监控系统中用于通信的另一片m a x 3 0 8 2 的5 、6 、7 、8 脚，然后再通过光耦 隔离将另一片3 0 8 2 的r o 和d i 接到用于键盘监控控制的单片机上( 如图5 4 所示) ，实现两个单片机之间的串行通信。 5 3 2 系统内部的通信协议 确定了通信电路之后，还要确定合理的内部通信协议。系统内部的通信是 指逆变子系统和键盘监控系统之间的通信，对于逆变子系统中的主控芯片而言， 要完成的通信功能主要有：按照键盘监控系统的指令发送相应的运行状态，发 生故障时直接发送故障类型，接收来自键盘监控系统的指令进行参数修改；对 应地，键盘监控系统要完成的通信功能为：发送状态显示和参数修改命令，接 收系统故障信息显示等。 若逆变子系统选用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为控制芯片，键盘监控系统采用w 7 7 e 5 8 单片机作为控制芯片，则t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 在通信上基本属于从机地位，它的收发 都是受键盘监控系统中的w 7 7 e 5 8 单片机控制的，要完成以上功能， t l s 3 2 0 l f 2 4 0 7 就必须具有不同命令的识别功能，其通信协议可以设定如下： 接收要回发数据包的相应代码：f e + f e + f e + 代码 接收要修改的数据包：$ f e f e e f + 编号( 参数地址) + 数据高位+ 数据低位+ 数 据校验和 接收故障查询命令：$ f e f e 从 接收复位命令：$ f e f 朗b 接收运行命令：$ f e f e c c 接收停机命令：$ f e f e d d 发送要显示的数据包：$ p e f e f e + 0 8 + 编号( 参数地址) + 数据高位+ 数据低位 + 数据校验和 发送故障状态代码：$ f e f e 从+ 故障编号 键盘监控系统的串行通信与逆变系统的串行通信相对应，其协议如下： 请求回发相应代码的数据包：f e 十f e + f e + 代码 发送要修改的数据包：$ f e f e e f + 编号( 参数地址) + 数据高位+ 数据低位+ 数 据校验和 发送故障查询命令：$ f e f e 从 发送复位命令：$ f e f e b b 发送运行命令：$ f e f e c c 发送停机命令：$ f e f e d d 接收要显示的数据包：$ f e f e f e 十0 8 + 编号( 参数地址) + 数据高位+ 数据低位 + 数据校验和 接收故障状态代码：$ f e f e 从+ 故障编号 有了通信协议，微处理器就可以根据不同的数据包头来识别不同的命令，进而 完成相应的通信功能了。 5 3 3 逆变子系统与键盘监控系统串行通信的软件实现 为确保系统的通信正确，在初始化模块中要对相关寄存器进行初始化，以 保证两者有严格相同的波特率，确定波特率之后，就可以按照以上的通信协议 来编写通信软件了。 以监控系统控制芯片w 7 7 e 5 8 的串行通信发送和接收为例，具体流程如图 5 8 所示，t l ；6 s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的通信流程与之类似，本文就不再给予讨论了。以发 送状态显示命令为例，当用户按下确认键后，通信程序立即执行发送任务，首 图5 8通信发送数据流程及通信接收数据流程 先发送包头$ f e f e f e ，然后将相应要显示单元的编码发送出去。因为逆变系统要 不停的执行中断，其串行通信采用查询方式，如果键盘监控系统在发送数据时 采用连续发送时，可能引起逆变系统接收数据的丢失，所以键盘监控系统在发 送数据时每发完一个字节就延时一次，延时完成之后再发送下一个数据，延时 时间必须保证逆变系统完成一个主循环。键盘监控系统采用中断和查询结合的 方式接收数据。逆变系统在接收到状态显示命令后，就会发出一组数据，当 w 7 7 e 5 8 接收到第一个数据$ f e 后就会进入中断程序，进入中断后首先关闭中断， 然后查询接收逆变系统发来的这一组数据，并将数据放入内存以供显示模块使 用，在跳出中断前开中断。每次在进入接收中断，并关闭中断之后，首先判断 接收的数据包头是否j 下确，正确则继续接收，否则跳出中断，在接收两个数据 的间隔应该加入延时程序，在延时时间到后下一个数据仍未接收到，表明通信 出错，应该跳出中断重新进行通信，以免出现“死机”现象。 第六章实验结果与总结 本文对e p s 的逆变予系统、蓄电池组充电子系统、键盘监控子系统等组成 部分进行了详细地介绍，分析和研究了死区补偿、系统控制方式、切换控制等 影响系统性能和可靠性的关键因素，并提出了相应的解决方案。 在此基础上，进行了电压和功率等级为4 8 v 3 k w 单相e p s 样机的制作和调 试，下图是市电与e p s 系统之间的切换波形、e p s 系统的逆变器输出波形以及 电流截止环工作时输出电流波形。图6 1 为市电故障时，系统与电网之间的瞬 图6 一l 市电故障时的瞬间切换波形 ；! | 一：_ l ：一i；一! 。i 雕艚叭| | 八0 a ：u 卜o | ：! ； !：】lf| i ：v ：；v ： 幽6 2 市电断电时e p s 系统的输出电压波形 ：! ；：脬 | 菇 岁 鼍! 。厂。! 11 ： 叫o ；：| ：；：；： 图6 3 电流截止环t 作时的输出电流波形 l i h j 切换波形，其中，通道1 为电网波形，通道2 为负载侧电压波形：图6 2 为 市电断电时，系统在带负载时的输出电压波形；图6 3 为带冲击性负载起动时， 电流截止内环工作时的输出电流波形。样机能够实现对电网故障、电网f 常的 识别功能，并进行相应地快速切换，同时，对蓄电池组的欠压、过流、过载、 过热等系统故障能进行有效的保护，基本上满足了e p s 系统的供电要求。 为提高系统性能和适应不同负载的要求，还需要从以下几个方面继续对系 统进行完善和改进： ( i ) 为提高e p s 系统工作的可靠性，需要对电池组的状态进行检测，文中从可 行性角度提出了电池巡检单元的解决方案，有待于在工程应用中具体实现。 ( 2 ) 系统在轻载时，正弦电压波形较好，没有明显畸变，但负载较大时，负载 电流也会增大，输出电压波形会发生明显畸变，这种现象是由于在死区时 间内，负载电流续流而引起的。采用修正正弦表值的方法进行死区补偿， 效果并不明显，是因为在电压的f 半周电流不一定为f ，有可能为负，反 之相同。要对死区进行有效补偿，则需要实时检测负载电流，根据电流的 实际方向做相应的动态补偿，这种补偿方法对阻性和感性负载均适用。 ( 3 ) 对于本文中所例举的三相e p s 系统的主电路拓扑而言，采用输出电压反馈 控制，其引入的反馈电压只有一路，因而系统只能稳定这一路的输出电压： 由于其它两路是开环的，当系统带三相不平衡负载时，这两路电压不能实 现稳定，从而会造成三相输出电压不对称，影响负载的正常工作。因此， 为提高系统对不平衡负载的适应能力，需要采用新的拓扑结构和控制方法 对本系统进行改进。 参考文献 【1 黄俊，王兆安。电力电子变流技术。机械工业出版社，1 9 9 7 【2 】陈伯时。电力拖动自动控制系统。机械工业出版社，1 9 9 7 5 【3 张占松，蔡宣三。开关电源的原理与设计。电子工业出版社，1 9 9 8 4 】张一工，肖湘宁。现代电力电子技术原理与应用。科学出版社，1 9 9 9 3 5 】刘凤君。正弦波逆变器。科学出版社，2 0 0 2 2 【6 周志敏，周纪海，纪爱华编著。开关电源功率因数校m 电路设计与应用。 人民邮电出版社，2 0 0 4 1 1 7 】刘胜利编著，严仰光审校。现代高频开关电源实用技术。电子工业出版 社，2 0 0 1 4 8 】张广明，沈卫东，曲颖编著。u p s 高可用供电系统设计与应用。人民邮 电出版社，2 0 0 3 1 l 【9 1姚行中编著。u p s 原理及维修技术。科学出版社，1 9 9 6 2 【l o 】李成章编著。现代u p s 电源及电路图集。电子工业出版社，2 0 0 1 4 【11 】j i n r o n gq i a na n df r e dc l e e a n a l y s i s ，d e s i g n ，a n de x p e “m e n to fah i g h p o w e l f a c t o re 1 e c t r o n i cb a l l a s t i e e et r a n s o np o w e re l e c t r o n i c s 19 9 8 3 4 ( 3 ) ：6 l6 6 2 4 【1 2 】蔡宣三，龚绍文。高频功率电子学：直流直流变换部分，科学出版社， 1 9 9 3 ( j 3 】陈道炼编著。d c a c 逆变技术及其应用。机械工业出版社，2 0 0 3 i j 【1 4 张乃国主编。u p s 供电系统应用手册。电子工业出版社，2 0 0 3 8 【15 】8 一b i tm i c r o c o n t r o i i e r 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