（电路与系统专业论文）基于DSP的单相在线式数字化UPS系统控制及实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

颅十学位论文 摘要 随善信息技术的发展，在线式u p s 愈来愈广泛地应用于电信、医疗、金融以 及国荫等领域，这对u p s 电源品葳提出更离的要求：动态响应快、稳态精度高、 稳定憔高，可靠性好等，同时还要求具备邋信功能便于实现对设备的网络监控。 显然，这些功能的实现离不开数字化技术。由于徽电子技术的快逮发展，产生了 高性能的专用于电机及逆变器控制数字信号处理嚣，为u p s 电源的数字化提供t 良好静硬件基础。数字纯u p s 系统控涮技术成为u p s 电源领域研究的热点。 为解决u p s 在数字化过程中存在的问题，本文对数字化u p s 系统的控制技术进行 了深入研究，将数字纯u p s 系统各控铜功魏送行分模块设诗，并给出备模浃静实 现方案。 蓄先，论述了鼗字纯u p s 控翻投术熬磷究瑰妖，掺毒瓣兹数字亿u p s 控澍羧 术的周限性及本课题的研究懑义。其二，根据数字化u p s 系统主鼹技术性能指标 及功魏要求，绘爨了戳t l 公司专蠲数字信号控毒嚣t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 誓挈为毫控芯 片的系统总体设计；对数字化u p s 系统控制关键技术进行深入研究。其三，对系 绫中各功憩邋孽子模块他设谤，将主控芯片l f 2 4 0 7 静备子摸块进行资源分熬；赞对 u p s 系统提出一种新的软件锁相控制算法，设计了具体的软件实现方案：设汁出 裂躅l f 2 4 0 7 静s c i 舞步宰零予逯售模块实璇u p s 戆多处毽器逶绩功能豹较疆辩：方 案；分析设计了u p s 系统的遵变控制、a d 转换、保护控制、人机对话、实时时 钝及嗽涎智戆兖放电餐理等模块的较终实瑷方案；终控剁系统各功戆模块进行整 合，并分析了系统程序运行稳定性。其四，分模块调试并测试系统各硬件电路， 对潺试过程中发现鲍闯题绘淡蝈应鲍鳃决方寨；对测试数攥遴行分辑，并测试了 所没计软件锁相环的跟踪性能。 魇设计的数字化u p s 系绫控制方案被皮用于单搬在线式小功率u p s 中，较俘 运行及硬件测试结果液明，所设计软件系统运行稳定，硬件的那里均达到设计癸 求，系统的各项控制功能在敬硬件密切配合f 可靠实现。艨没计开发的擎相在线 式小功率数字化u p s 样机各项性能指标均达到或优于标准簸求，即将对其进行产 品化。 关键谰：不间断电源；系统按制；数字信号处理嚣；锁相；昂步串得通僖 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h et e c h n i c a ld e v e l o p m e n ti ni n f o r m a t i o n ，t h eo n - l i n eu p si sa p p l i e d m o r ea n dm o r ea n db r o a d l yi nt e l e c o m m u n i c a t i o n ，m e d i c a lt r e a t m e n t ，f i n a n c ea n d n a t i o n a ld e f e n s ee t c ，s oh i g h e rr e q u i r e m e n t st ou p si sp u tf o r w a r d ：f a s td y n a m i c r e s p o n s e ，h i g hs t a b i l i t yp r e c i s i o n ，h i g hd e p e n d a b i l i t y a tt h es a m et i m e ，c o m p l e t e n e t w o r kf u n c t i o ni sa l s oa d d e d o b v i o u s l y ，r e a l i z a t i o no ft h e s ef u n c t i o n sn e e d sd i g i t a l t e c h n i q u e h i g hp e r f o r m a n c ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rp r o v i d e s ag o o dh a r d w a r e p l a t f o r mf o rd i g i t a lu p s i no r d e r t or e s o l v et h ep r o b l e me x i s t e di nt h ep r o c e s so fu p s d i g i t i z i n g ，t h i sa r t i c l et h o r o u g h l yr e s e a r c h e d ；h es y s t e mo fd i g i t a lu p sc o n t r o l t e c h n i q u e ，a n dt h em o d u l a t i o nd e s i g na c c o r d i n gt oe a c hc o n t r o lf u n c t i o n i sg i v e n f i r s t l y ，t h ec u r r e n tc o n d i t i o no ft h eu p sc o n t r o lt e c h n i q u ei sd i s c u s s e d ，p o i n t i n g o u tt h er e s e a r c hm e a n i n gb e t w e e nt e c h n i c a li nt h ec o n t r o lo fu p s t h el o c a l i z a t i o no f t h ec o n t r o lt e c h n i q u eo fd i g i t a lu p sa n dt h em e a n i n go ft h i sr e s e a r c hi sp o i n t i n go u t s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ft h ep e r f o r m a n c ea n df u n c t i o n s t ot h e s y s t e mo fd i g i t a lu p s ，t h et o t a ls y s t e mc o n t r o lc i r c u i tb a s e d o nt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 aw a s d e s i g n e d ，a n dt h ek e yc o n t r o lt e c h n i q u ei sd e e p l yr e s e a r c h e dw h i c hi n c l u d i n gi n v e r t e r c o n t r o lt e c h n i q u ea n dp h a s el o c kt e c h n i q u e t h i r d l y , t h es y s t e mi sm o d u l a r i z e da n d d e s i g n e d ；a n da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft h es y s t e m ，an e w s o f t w a r ep h a s el o c k a l g o r i t h mi sp r o v i d e d ，t h em a t e r i a lr e a l i z a t i o nm e t h o di sg i v e n ；s o f t w a r ea n dh a r d w a r e s c h e m eo fc o m m u n i c a t i o nb yu s i n gt h es c im o d u l ei nl f 2 4 0 7a r ed e s i g n e d ；o t h e r c o n t r o lm o d u l e sa r ed e s i g n e dt o o f o u r t h l y , t h ep e r f o r m a n c eo ft h ec i r c u i ti st e s t e d ， t h ed e s i g no ft h ed i g i t a lu p sc o n t r o ls y s t e mi sa p p l i e d i nl o w p o w e r s i n g l e p h a s eo n l i n eu p s 。s o f t w a r ea n a l y s i sa n dt h et e s t i n gr e s u l te x p r e s s e st h a tt h e s o f t w a r es y s t e mc a nw o r ks t a b l y ，v a r i o u sc o n t r o lf u n c t i o n sa r er e l i a b l yr e a l i z e dw i t h t h ec l o s ec o o p e r a t i o no ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h el o wp o w e r s i n g l e * p h a s eo n l i n ed i g i t a lu p ss p e c i m e na l la t t a i no rb e t t e rt h a ns t a n d a r dr e q u e s t s k e yw o r d s ：u n i n t e r r u p t e dp o w e rs u p p l y ；s y s t e mc o n t r o l ；d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ；p h a s el o c k ；a s y n e h r o n i s ms e r i a lc o m m u n i c a t i o n i l 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密曰。 ( 请在以上相应方框内打“巾) 作者签名： 导师签名： 日期：善缈绎，月6 日 日期：妒 年岁月，6 日 1 。t 选题背景 第1 章绪论 随着计算机的普及和信息处理技术的广泛成用，越来越多的系统和部门对市 电供电矮鬟提出了筻高懿要求。 嚣实际懿市电泡舞本骞难戮满足这黧簧求，这是 因为造成电网污染的因素除了电压波动、频率燮化外，还有来自电网外部、内部 豹吾种臻音藉予貔，它们主要存：邀压滚溪、魄匿尖穗、逛舔瓣交、噪声毫压、 过压、电压跌落、持续低电压、电源中断等。这些污染或干扰对计算机类或其它 鞲蜜仪器设备联遮成豹藏害不器捷藤。始电源中瑟，霹麓途蔽疆释撰嚣；毫压跌 落，可能会使硬件提前老化、文件数据兴失；过压或欠压、浪涌电压等，可能会 损环赣动器、存继蕤、邂辑电爨，还可能产生不可预辩戆软磐放簿；啜声电疆窝 瞬变电压，可能损坏逻辑电路和文件数据，甚至会影响整个通信系统的正常工作。 銎瓣弱逶攘逛都蠢枣电终电、捡修、发囊事赦傍毫豹瓣候，就魅，不论是磷爨枣 电转换述是起动备用柴油发电机组，都需要l o 2 0 m i n 的时间。这段时间使用 交浚供电鹣透售设备翔果不使用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 ) 或邀交器必然 停j kt i 作。另外e 乜网的电压波形也不干净，存在着过聪、欠藤、尖蜂、浪涌簿干 拢。u p s 跫一耱慷频、稳压、纯净、不阅断的懑品质愈澡。隧着理代信息技术豹 高速发展，其重饕性越来越明显，尤其跫在电信、银行、金融以及酗防等对电刚 的靠性要求极藏灼毒亍业更为突恕。 近年来对u p s 的需求不仅大幅度增长，使用者对u p s 的功能与品质的要求也 持续增加，传统以模拟电路控制为主的u p s 已冤法达到智能化的需求，引入数字 控制技术融为大势所趋。u p s 的发展将进入全数字化的时代，传统的模拟控制u p s 即将走进历史，取丽代之的将是安全可靠、短小轻薄的数字化智能型u p s “2 1 。 1 2 数字化u p s 系统控制技术研究现状 1 u p s 毫源的分类 根据u p s 的主电路弦捣瓤供电运雩亍枫翅不秘耀将u p s 分为以下四类：亵线式， 在线互动式，双逆变在线式，双逆变电联补偿程线式( d e l t a 逆变器) 。 ( 1 ) 离线式 离线式，又称被动后备式，厢各式u p s 主黉由充电器、蓄电泡、逆变器及变 压器抽头调压式稳压器四都分组成。其艨理结构见图1 1 。 其工作机制为：在市电正常时，市电经简单滤波赢接给负载供电，同时由宽邀 器给蓄电池充电，这时逆变器不工作；当市电辨常时，逆变器启动，将电池的赢 流电转换为交流电( 即d c a c 转换) 给负载供电。 豳1 1 离线式u p s 原理结章幻图 后备式的技术及产品都比较成熟。一般装翊1 2 v d c 7 a h 电邀一节或鼹节、撼 挽工作方式、工频变压器升压、继电器转换。其容缴范围般较小，多为l k v a 以 下。后器式u p s 具蠢结构越馨、易予实现，份搀便宜等优点。但由予它在市电异 常时有几个毫秒的切换时问，且电源输出容易受到电网波动的影响，输出稳压精 度差，因此供电质量榻对来讲不是太高，只适用于非重要负载如家用p c 、不重要 韵网上终端等终端设餐秘j 。 ( 2 ) 在线互动残 各线互动式u p s 电源也被称为三端臼式u p s 电源，使孺的是工频变压器。其 原理结构见图1 2 。 输 豳1 2 在线互动式u p s 原理继构图 瀚中交流输入端l i n 为漆霞l ，与双向变换器稻连魏绕缀为臻嗣2 ，输掰电箍 端l o n 为端口3 。市电供电正常时，交流电疑端口1 流入变压器，在稳压电路的 控巅下逸铎舍遗豹交嚣器接头接入，同时在端日2 豹双离交换器豹箨焉下借蚤蓄 电池的能量转换共同调节端口3 上的输出电压，以此来达到比较好的稳压效果。 蘑彳电镤电雾常辩，蓄魄涟逶避瑟囱交换器经臻霹2 绦交压嚣供电，维持溺口3 二 的交流输出 3 1 。在线互动式u p s 电源在变压器抽头切换的过程中，双向变换器作 为遂交器方式工作，瘗蔫邀携侯龟，霆魏筑安褒输滋电压熬不阂断；溺群，在由 市电供电到电、池供电的切换过程中也能做到无转换时间。出于逆变器与输出直接 接在起，没有转换开关憝瓣裁，疑渡输爨功率可援毫到5 - 1 0 k v a 。 存线式u p s 电源的控制线路设计中，由于采用输入变压器，输出变压器及光 电耦合器件等技术手段，这样将“强电”驱动部分与“弱电”控制线路部分从电的角度 分开来，因而线路工作的可靠性得到极大的提高。在线互动式u p s 还具有效率高 ( 可达9 8 以上1 、结构简单、成本低的优点，但是它大部分时间由市电直接给负载 供电，输出电压质量差。所以这种u p s 电源的故障率一般都很低，但是也因此使 该类电源存在笨重、体积大的问题。 ( 3 ) 双逆变在线式 双逆变在线式，其中双逆变是指将市电经过整流器的a c d c 和逆变器的 d c a c 两次变换，然后向负载供电。其原理结构见图1 3 。 笆全竺竺竺兰于关输出 _-_h_-_-_-_-_。_-_。-h-_-_。_-_h_-_-_-_-_-。_。_。_-_-_o一 悭玺一电 充电器卞鎏 图1 3 双逆变在线式u p s 原理结构圈 这种u p s 电源的供电方式为：市电正常时，市电经过整流器将输入的交流电 压变为直流电压，然后送给逆变器，再把直流电压变为交流电压向负载供电；市 电异常时，由蓄电器经逆变器向负载供电。而旁路开关平时处在断开状态，当逆 变电路发生故障，或者当负载有冲击性( 例如启动负载时) 或过载时，停止逆变 器输出，旁路开关接通，由电网直接向负载供电，该转换过程一般有l m s 的中断。 由于逆变器在市电正常和故障时均在线为负载供电，所以从市电供电向蓄电池供 电的转换过程无需转换时间 2 1 。 在双逆变在线式u p s 正常工作时，市电经过整流逆变两次电力变换，使负载 设备与市电电源完全隔离，因此其输出电压稳定精度、频率稳定度、输出电压动 态响应、波形失真度等指标达到了较高水平的。但1 0 0 的负载功率需要经过整流 和逆变两次变换，功率损耗较大，降低了系统的总效率，因此其输出能力不理想， 对负载提出限制条件，其过载能力、输出功率因数( 一般为0 8 ) 、输出有功功率 小于标定的k v a 数，应付冲击性负载的能力差。丽整流器的存在，会对电网形成 电流谐波干扰，输入功率因数低，经滤波后，最小的谐波电流成份在1 0 左右， 输入功率因数只有0 8 左右，如果在电路中使用功率因数校正技术，则可以把输入 功率因数提高到接近l ，输入电流谐波成份也会大幅度降低。 基- 1 ：d s p 的单相在线式数字化u p s 系统控制及实现 ( 4 ) 双逆变电压补偿在线式( d e l t a 变换) 双逆变电压补偿在线式技术是在2 0 世纪9 0 年代由美国a p cs i l c o n 首先提出 的。该拓扑结构一般应用于三相大功率u p s 中。这种u p s 同样是双逆变电路结构， 且也是在线工作的，但是它成功地把交流稳压技术中的电压补偿原理用到了u p s 的主电路中。a p cs i l e o n 称此电路结构为d e l t a 逆变技术【4 】。其原理结构图见图1 4 。 正常工作时，市电经d e l t a 逆变器为负载供电，主逆变器稳定系统输出电压， 市电和系统输出之间的电压差由d e l t a 逆变器补偿。市电故障或市电电压超出允许 的极限时，系统转入蓄电池供电方式，由主逆变器为负载供电。此时市电输入开 关k 2 断开以防止主逆变器向市电电源反馈能量。因为主逆变器始终连接在系统输 出端，在从市电供电向蓄电池供电的转换过程中无需转换时间，不会产生供电中 断。市电恢复时，k 2 闭合，恢复系统正常工作；k l 是旁路开关，当u p s 故障和进 行维修时，k l 闭合，此时负载由市电应急供电。 k 1旁路 赴垡壅压矍 俞入 “2 l ，。一 输抖 n v i 一j l ， i ，、 n 图1 4 双逆变电压补偿在线式u p s 艨理结构圈 主逆变器采用电压控制环路，输出电压反馈信号与输出电压基准比较，其误 差信号经p i 调节器进行p w m 控制，保持输出电压的稳定。因为是恒压控制，主 逆变器的内阻较低。主逆变器韵主要功能是：( 1 ) 控制系统输出电压；( 2 ) 在反相 整流工作方式时，给蓄电池充电；( 3 ) 市电故障时，由蓄电池放电经主逆变器为负 载供电。d e l t a 逆变器采用电流环控制环路，输入电流反馈信号与输入电流基准比 较，其误差信号经p i 调节器进行p w m 控制，维持输入电流恒定。恒流控制的d e l t a 逆变器具有较高内阻。其主要功能是：( 1 ) 控制输入电流；( 2 ) 控制蓄电池供电；( 3 ) 补偿输入和输出电压的差值；( 4 ) 调节输入功率因数。 双逆变电压补偿在线式u p s 被认为近于理想的绿色u p s ，但是这种u p s 主电 路和控制电路相对复杂，丑d e l t a 变换技术是受专利保护的核一1 5 , 技术，目前尚不能 为广大u p s 厂家普遍采用。 2 u p s 的技术发展 随着电子技术、控制技术、信息技术的发展，各种先进技术已广泛应用在u p s 的设计开发和生产过程中。可以预见：今后u p s 将向着数字化、高频化、网络化、 硕士学位论文 智能化、大容量单机冗余化和绿色化的方向发展。 f 1 1 数字化。随着数字信号处理芯片工业的快速发展，高性能、低价格的d s p 芯片不断出现。d s p 处理器具有基于哈佛结构的双总线及单周期的乘法指令使其 具有更快的运算速度，有能力实现高密度计算控制算法，这样就可以通过软件实 现先进复杂的逆变控制算法，降低系统的成本。现在国内外u p s 普遍采用最新的 数字信号控制器( d s p ) ，以实现u p s 系统的全数字化运行。数字化u p s 软件取 代了大量的模拟器件，在很大程度上提高了产品的集成度，而且通过修改软件， - j j 以很方便地调节系统的各种特性，增强了系统的柔性和智能性。也有某些高供 电质量的u p s 采用三个有独立供应电源的微处理器来分别控制整流器、逆变器和 内部静态旁路，用来提高系统的数字化程度和可靠性1 2 j 。 f 2 ) 高频化。第一代u p s 的功率开关为可控硅，第二代为功率晶体管，第三 代为场控型器件( m o s f e t 或i g b t ) 。功率晶体管开关速度比可控硅要高一个数 景级，场效应晶体管m o s f e t ( m e t a l o x i d es e m i c o n d u c t o rf i e l d e f f e c t t r a n s i s t o r ) 比功率晶体管要高一个数量级，而i g b t ( i s o l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 功率器 件电流容量比m o s f e t 大得多，且导通电阻小，工作频率比m o s f e t 低，但也可 使功率变换电路的工作频率高达5 0 k h z 。交换电路频率的提高，使得用于滤波的 电感、电容以及噪音、体积等大为减小，使u p s 效率、动态响应特性和控制精度 等大大提高u j 。 f 3 ) 网络化智能化。为了适应计算机网络的发展，u p s 中已经开始配置r s 2 3 2 接口、r s 4 8 5 接口、s n m p ( s i m p l en e t w o r km a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) 卡和m o d e m 结合的网络通信接口，使其成为计算机网络的一部分【5 j 。智能化的u p s 应具有自 诊断、自保护功能。u p s 电源将实时采集来的各模拟参量、工作状态数据及系统 中关键硬件设备的数据与正常值进行分析比较，以判断电源是否有故障隐患存在。 如果有故障，根据相应故障信息以文字、声光形式报警，并作出相应的保护动作。 ( 4 ) 大容量多机冗余化。当今u p s 电源的发展趋势是大功率化和高可靠性。 虽然现在可以生产几千k v a 的大型u p s ，完全可以满足大功率要求的场合。但是， 这样整个系统的可靠性完全是由单台电源决定的，无论如何都不可能达到很高。 为了提高系统的可靠性，就必须采用冗余式并机方式，因而u p s 的并联技术在近几 年得到了很大的发展。通过c a n 总线技术组成多台u p s 系统。u p s 并机运行模 式不需另外加设中央控制部件，负载均分。如果某一台u p s 单机发生故障，则被 立刻关闭，其它的u p s 系统会自动承担全部负载，对负载不会产生任何影响。通 过灵活的多主机技术( f m m t ) 来保证系统安全运行。c a n 总线高速、有效的通 讯实现了f m m t ( m u l t i m a s t e rt e c h n i q u e ) 技术。 ( 5 ) 绿色化。各种用电设备及电源装置产生的谐波电流严重污染电网，随着各 种政策法规的出台，对无污染的绿色电源装置的呼声越来越高。u p s 除加装高效 输入滤波器外，还应在电网输入端采用功率因数校正技术，这样既可消除本身由 j 二整流滤波电路产生的谐波电流，又可补偿输入功率因数。 3 数字化u p s 控制技术研究现状 国内外各大电源公司、生产厂家以及科研院所都在对u p s 技术进行研究。国 外已经将许多先进技术应用到实际系统中，生产出了许多知名品牌的u p s 如a p c 、 山特、m g e 、爱克赛等。国内对u p s 先进的关键技术研究主要集中在少数知名院 校，且大多数处在实验阶段，没能将它们应用到实际系统中【3 】。 早期的微处理器运算速度有限，通常只具有给定正弦波的发生、控制u p s 电 源的丌关及实现保护显示等功能，u p s 逆变器的控制仍然需要模拟电路的参与。 随着电机与逆变器控制专用d s p 芯片的出现和控制理论的发展，使u p s 系统的控 制技术朝着全数字化的方向发展，逆变器控制技术发生了一次大的飞跃1 5 “7 l 。 ( 1 ) u p s 电源采用数字控制技术具有以下明显优点：易于采用先进的控制方 法和智能控制策略，使得u p s 电源的智能化程度更高，性能更完美。控制灵活， 系统升级方便，甚至可以在线修改控制算法，而不必改动硬件线路。控制系统 的“r 靠性提高，易于标准化，可以针对不同的系统幅e 不同型号的产品) ，采用统一 的控制板，而只是对控制软件做一些调整即可。系统维护方便，一旦出现故障， 可以很方便地通过通信接口进行调试，故障查询，历史记录查询，故障诊断，软 件修复，甚至控制参数的在线修改、调试；还可以通过网络远程操作。系统的 一致性较好，成本低，生产制造方便。由于控制软件不像模拟器件那样存在差异， 所以其一致性很好，由于采用软件控制，控制板的体积将大大减小，生产成本下 降。易组成高可靠性的大规模u p s 电源并联运行系统。为了得到高性能的并联 运行u p s 电源系统，每个并联运行的u p s 电源单元模块都采用全数字化控制，易 于在模块之间更好地进行均流控制和通讯或者在模块中实现复杂的均流控制算 法，从而实现高可靠性、高冗余度的u p s 电源并联运行系统。 ( 2 ) 数字化是u p s 电源发展的主要方向，然而出于模拟控制中存在的许多问 题有待于数字控制来解决，而且u p s 电源的数字控制仍然存在硬件和软件上的一 些网难，所以u p s 的数字化过程存在者相当大的挑战。目前的困难主要是：逆 变器输出要跟踪的是一个按正弦规律变化的给定信号，它不同于一般的开关电源 的常值控制。在闭环控制下，给定信号与反馈信号的时间差就体现为明显的相位 差，这种相位差与负载是相关的，这就给控制器的设计带来了困难。逆变器的 输出滤波器对系统模型影响很大，输入电压的波动幅度和负载的性质、大小的变 化范围往往比较大，这些都增加了控制对象的复杂性，使得控制对象模型的高阶 性、不确定性、非线性显著增加。对于数字式p w m ，都存在一个开关周期的失 控区间：一般是在每个开关周期的开始或上个周期之末来确定本次脉冲的宽度， 即使这时系统发生了变化，也只能在下个开关周期对脉冲宽度做出调整。 - 6 - 硕士学位论文 当然，正是有着众多的优点，而问题又存在，彳使得逆变器的数字化控制技 术在国内外引起了广泛的关注。 1 3 课题研究意义及本文的主要研究内容 本课题来源于青岛创统科技有限公司，该公司目前的u p s 系列产品中控制系 统多采用传统的模拟控制技术，明显存在局限性：需大量的分立元件，使得元 件数目较多，硬件成本相对较高，而系统可靠性降低；受器件参数漂移影响较 大，元器件的时漂和温漂会导致系统性能降低，电源的生产一致性不好，调试复 杂，难以维护；产品升级换代困难，无法采用一些先进的控制方法。为顺应u p s 市场对其更高品质的要求和u p s 的数字化、智能网络化的发展趋势，将d s p ( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n g ) 技术应用于u p s 电源的控制环节是必然的 4 1 。 采用数字控制技术可带来以下好处：减少控制元件数量，提高系统抗干扰能力； 设计和制造灵活，每台电源问的一致性好；可以采用更先进的控制方法，并且系 统升级方便，当控制方法有所改进，只需修改程序而不必改动硬件电路：输出电 能质量好，可靠性高，便于实现智能控制；系统维护方便，可以通过r s 4 8 5 串行 通信接口进行设备状态监视，一旦出现故障，还可以进行故障记录查询，并对保 存的历史设备信息进行分析，从而确定检修方案。 本文所做的主要工作是研究数字化u p s 系统的各项控制技术并将其应用于所 开发的小功率单相在线式数字化u p s 中。本论文的主要工作概括如下： 第一章给出本课题的选题背景，论述数字化u p s 控制技术的研究现状，指出 目前数字化u p s 控制技术的局限性及本课题的研究意义。 第二章根据数字化u p s 系统主要技术性能指标及功能要求，给出以t i 公司专 用数字信号控制器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为主控芯片的系统总体设计；对数字化u p s 系统控制关键技术即逆变控制技术及锁相控制技术进行研究。 第三章对系统中各功能进行模块化设计，将主控芯片l f 2 4 0 7 各子模块进行资 源分配。针对u p s 系统要求提出一种新的软件锁相控制算法，设计了具体的软件 实现方案；设计出利用l f 2 4 0 7 的s c i ( s e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ) 异步串行通 信模块实现u p s 的多处理器通信功能的软硬件方案；分析设计了u p s 系统的逆变 控制、a d 转换、保护控制、人机对话、实时时钟及电池智能充放电管理等模块 的软件实现方法；将控制系统备功能模块进行整合，并分析软件系统运行稳定性。 第四章分模块调试并测试系统各硬件电路，对调试过程中发现的问题给出相 应的修改解决方案：利用专业数据分析软件对测试数据进行分析，便于得到更准 确系统参数；测试分析软件锁相环的跟踪性能。 最后，对本文研究成果做出总结与展望。 第2 章数字化u p s 系统总体设计及控制技术基础 2 。】数字鼗u p s 系统总体设计 2 。l 。lu p s 系统穰熊指标及功襞要求 1 系统性能指标 青岛剖统公司根据国家稠关行堑标准( o b7 2 6 0 2 2 0 0 3 、g b t7 2 6 0 ，3 2 0 0 3 ) 南8 定了相应的企姓标准，按照规定，本设计必须达到的主要技术指标如表2 1 。 表2 1u p s 系统技术往蘸撩标 指标对象指标参数 系统设计功率 3 7 5 k v a 系统容缓 输出功率因数 o 8 ( 滞后) 系统过载1 2 0 运行一分钟 带载能力 系统过竣1 5 0 在1 0 m s 2 0 m s 内切至旁路输出 褶 数 l 相 交滚输入标稼电压2 2 0 v 士1 0 标称频率 5 0 h z 士5 媚数 i 攘 标称电压2 2 0 v 士1 0 旁路输入 标豁频率 5 0 h z j ：5 逆变器旁路转换时间 5 m s 标豫d c 毫压 2 l 寒v d c 系统 终止电压 1 6 8 v 楱鼗l 耱 标称电压 2 2 0 v 出5 标称频率5 0 h z 圭0 5 交流输出 输出波形正弦波 总谐波失真度 l o 动态负载电压瞬变( 负 圭4 载豳o 1 0 0 雯纯时) 运行噪声 6 0 d b 董圭呈垩墼呈堡垒彗耋鍪茎些兰嬖垂篓堡堡些薹垫 第2 章数字化u p s 系统总体设计及控制技术基础 2 1 数字化u p s 系统总体设计 2 1 1u p s 系统性能指标及功能要求 1 系统性能指标 青岛创统公司根据围家相关行业标准( c b7 2 6 02 - 2 0 0 3 、g b t7 2 6 0 ，3 2 0 0 3 ) t , , 0 定了相应的企业标准，按照规定，本设计必须达到的主要技术指标如表2 1 。 定了相应的企业标准，按照规定，本设计必须达到的主要技术指标如表2l 。 表2 ，】u p s 系统技术性能指标 指标对象指标参数 系统设计功率 37 7 5 k 泓 系统容量 输出功率困数0 8 ( 滞后) 系统过载1 2 0 运行一分钟 带载能力 系统过载1 5 0 在1 0 m s 2 0 m s 内切至旁路输出 相数l 相 交流输入标称电压 2 2 0 v 士1o 标称频率 5 0 h z 士5 相数1 相 标称电眶 2 2 0 v 士1 0 旁路输入 标称频率 5 0 h z 士5 逆变器旁路转换时间 5 m s 标称d c 电压 2 18 v d c 系统 终止电压 1 6 8 v 相数1 相 标称电压2 2 0 v a ：5 标称频率 5 0 h z 0 5 交流输出 输出波形正弦波 总谐波失真度 l o 动态负载电压瞬变( 负 士4 载由0 - 1 0 0 变化时) 运行噪声 6 0 d b 硕士学位论文 2 系统功能要求 ( 1 ) 系绕基本甥毙。不阕叛恕漂匏基本功能羧是保诞对爱户毂不阚叛供瞧。 从技术上来讲，其工作流程为：系统启动时，为减少负载对u p s 的冲击，由旁路 对受载供电；同时为渡小系绫母线电容的瞬f | 霹强炎电电浚对系绞造成鲍影蛹，嬲 入电容充电墩阻( 限流) 作系统缓起动动作，待系统肩动准备就绪，切除电容充电电 阻；溺系统逆变输出稳定并跟踪上蠢电时，系统出旁路切至逆变竣出给受载供电。 ( 2 ) 系统保护功能。u p s 在送行过程中由于避到来自各种干扰或器件的质精 等原阁，可能会引起设备要承受远远大于设计规定的指标，甚至发生故障。为了 避免在这种情况下静致设备硬件方面的损失并傈诞系统的可靠傲，设计中配置了 相应的保护电路。冀中包撼母线过流保护、输出过载保护、负载短路缳护、逆变 器过瀣保护。输出道载保护；当负载出现过载对，在系统处理能力范围内按技术 指标进行操作；当越出系统承受能力时，应将输出切至旁路。负载短路保护：当 负载i 妊现短褥情溺时( 特剐蔻许多容性负载，负载嬲载的过程中会出现瞬时短路的 情况) ，此时系统应封锁所有短路时刻的p w m 波，而不凇许进行旁路切换；短路 故障撵除后，应自动恢复遴交输国工律状淼。 ( 3 ) 系统通信功能。通过配置r s - - 4 8 5 接口便于由微机对u p s 电源的各模拟 参薰( 市毫静输久奄疆、电流、频率，窀滚组静充放电电匿、充放电电流，逆交器 输出电压、电流、频率) 采样数据及袋示工作状态的开关量数据( 运行模式、逆变器 ，旁爨狭态，嘏涟充魄棱态等) 进毒亍寅时高逮采集，获覆实袋对u p s 静实对麓控。 ( 4 ) 人机对话功能。通过键盘和液晶照示屏向用户掇供一人机对话平台，用 户逶过键盘攥作虿戮设萋运行模式设备；羲镲戆楚、渡祷率等售惠；滚菇显示罄鬻 以图形和文字方式旦示工作状态和参数信息，可以提供让用户操作的可视化菜单。 ( 5 ) 电港餐笈充放毫管毽功戆。辗嚣奄潍兹宠藏逛将瞧，对瞧渣充敖瞧遴行管 理，可通过设置放电时间间隔( 如每个月放电一次) 以延长电池的使用寿命。为 陵出惑渣过放毫，娄邀渣电疆蹲到一定疆嶷懿迸符声竞掇警，酶至设定豹终韭= 电 压时自动关机。 2 1 2 系统麓童毫踏纭拎缩祷毅慧体稚蚕 1 主电鼹拓 | 、结构 囱于双变换在线式各项性能指标能很好的满麓大多数负载酌需求，目前绝大 多数在线式u p s 都采用这种电路结构。弗且青岛刨统公司生产的u p s 也是采用这种 毫路结构，所 基本文竣计的数字纯擎褶在线式u p s 采雳双邋变在线式主电貉拓扑结 构，如图2 1 。 u p s 电源主电路拓扑结构楚u p s 静功率蕴藏豁分。它由市惫输入整流器、赢 流母线、直流母线限流电阻r l 、直流稳压滤波电容c 1 、i g b t 功率逆变桥、输出 变压瓣及赣爨滤波电容c 2 等电路缀或。其中l 蟊两个绝缘糖裰鍪繇体管i g b t 组成 警- 基于d s p 的单相存线式数字化u p s 系统控制及实现 的逆变桥( v 1 v 4 ) 和输出变压器t 1 及输出滤波电容c 2 组成的u p s 正弦逆变电源 是u p s 设计中的主要被控对象i s , 9 1 。 旁路 f 当 母线 1 = 卜 s 卡c 1il ，继电器 弋肖桥哑 ii _ v z r ；磊磊l j ”j 逆变器 变压器 负 载 图2 1 单相双逆变在线式u p s 主电路拓扑结构 2 u p s 系统总体框图 本设计采用t i ( t e x a si n s t r u m e n t s ) 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为主控芯片。该 芯片是t m s 3 2 0 c 2 4 x 一代d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 控制器的新成员，是 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 平台下的一种定点d s p 芯片，其各项性能有了很大程度的提高。 它为实际应用提供了低成本、低功耗以及高运算能力的解决方案，对电机、逆变 器等的数字化控制非常有用。该芯片内部集成了新的片内存储器和外设，构成真 正的单芯片控制器，在使用中可以降低整个系统的成本，节省电路板空间，提高 系统的可靠性。在与现存2 4 xd s p 控制器芯片代码兼容的同时，2 4 0 7 a 具有处理 能力更好、外设集成度更高、程序存储器容量更大、a d 转换速度更快等特点1 1 0 1 。 以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为主控芯片的系统总体框图见图2 2 。 鲁路 图2 2 单相在线式数字化u p s 系统总体框图 硕士学位论文 2 。1 3u p s 系统的控制模块 u p s 系统主要功能模块由主控制模块、信号检测模块、逆变器驱动模块、电 池充电管理模块等组成，图2 2 中的虚线框内为u p s 系统的主控制模块，其中包 括a d 转换、锁相控制、p w m 信号输出、r s 4 8 5 通信、键盘及液晶显示、保护 控制、实时时钟和c a n 通信接口( 为并机通信保留) 等子模块。 1 a d 转换：本系统所需进行a d 转换的信号较多，既有市电输入的交流电 压、电流信号，又有逆变输出的各交流电压、电流信号，还有电池电压和电流信 号。它们对完成各种控制起到了至关重要的作用。这里要求待转换的各信号经过 信号检测模块之后线性变换为0 3 v ，以满足l f 2 4 0 7 a 的a d 转换电平的需要。 同时，输入输出电压、电流为瞬时值采样，采样频率为1 0 k h z 。 2 锁相控制接口：利用主控制器l f 2 4 0 7 a 的事件捕获端口c a p l 和c a p 2 ， 将市电输入和逆变输出经降压及波形变换后( 正半周为高电平，负半周为低电平) 送入c a p l 和c a p 2 ，由l f 2 4 0 7 a 通过软件锁相环算法实现逆变输出电压与市电 电压的同频同相。 3 p w m 信号输出：l f 2 4 0 7 a 按采用的p w m 控制算法计算出p w m 信号，然 后由a 事件管理模块( e v a ) 的全比较单元输出4 路带死区控制的p w m 信号 ( p w m l 4 ) ，这4 路p w m 信号经放大再送入逆变器驱动模块。 4 r s 4 8 5 通信接口：利用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的异步通讯口s c i 和r s 4 8 5 协议， 实现u p s 与微机的远程通讯，以便微机对u p s 的设备状态、各项参数及故障信息 进行查询。由于r s 4 8 5 是物理层协议，除了满足其机械、电气和功能特性标准外， 5 键盘及液晶显示：键盘及液晶显示屏为人机信息交互提供人性化的界丽。 为简化硬件电路设计，利用e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i c ) 技术，采用复杂 可编程逻辑器件实现键盘扫描、地址译码、时序转换及其它控制逻辑，将其与主 控制器结合，一起控制液晶显示器。 6 实时时钟：由实时时钟芯片为整个系统提供统一、标准的时钟基准，便于 系统管理( 如利用时钟定时器对电池进行智能充放电管理) 。还有一个作用就是，利 用实时时钟芯片的存储器来存储系统的某些参数( 如系统密码，串行通信波特率 等) 、故障记录等。它与t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的通信是由串行外设接口来实现的。 7 c a n 通信接口：c a n 通信接口是为并机通信所保留的。将主机的控制信号 通过c a n 总线传送给各从机，实现多台u p s 的增容并机与冗余并机。由于本系 统未做并机控制，因此只将c a n 通信接口在电路设计时作出保留，待日后再进行 并机控制的软件升级。 u p s 系统主控制模块硬件电路原理图见附录c 1 ，相应的软件设计及硬件调试 将在后面章节论述。 2 2 逆变器控制原理及其系统模型分析 2 2 1 逆变器工作原理及撩制方式 1 ，擎招u p s 遂变嚣工 筝源理 在不问断电源中，逆交器要把由市电经整流滤波后得到的直流电或 j i j 蓄电池 提供瓣蹇淡瞧藿毅转换走频搴稳定，输出电愿受受载影噫缀小，波形畸变率潢是 负载要求的交流电。 本设计中遵变爨为单媚全桥式邀变电路结构，英逆变魄路结筏如