一种基于DSP的在线式UPS控制电路的研究

一种基于DSP的在线式UPS控制电路的研究胡圣邦江西吉安国泰特种化工有限责任公司 （江西 吉安 343136）摘要微处理器技术的应用，尤其是DSP技术的应用全面推进了UPS设计的发展。传统模拟控制策略大大影响了UPS系统的稳定性和可靠性，而可编程UPS芯片提供了一套灵活的控制回路，这是一种很容易掌握先进的控制算法，并且很容易与模拟电路连接。因此,以UPS（数字信号处理器）为基础的数字控制技术将大大改善产品的不稳定性，并提高了不间断供电系统的稳定性和可靠性。关键词 DSP；UPS；逆变电源；数字化；在线式分类号 TQ560.5 TP27 Research on an online UPS control circuit based on DSPHU ShengbangJiangxi Jian Guotai Special Chemical Co.,Ltd (Jiangxi Jian ,343136)Abstract With the application of microprocessor technology, in particular with the application of DSP technology, the development of the UPS design was promoted comprehensively. Traditional analog control strategies deteriorate the stability and reliability of the UPS systems very much. Since the programmability of the DSP chip offers flexibility in designing a control loop，it is much easier to incorporate an advanced control algorithm ， which can hardly be implemented with its analog counterpartTherefore， DSP(digital signals processor)based digital control techniques call greatly improve the uniformity of the products， and increase the stability and reliability of the UPS systems. Keywords DSP, UPS, Power Inverter, Digital, Online1 引言随着社会信息化、现代化的发展，对供电可靠性的要求越来越高，大型建筑，如机场、车站、会展中心、体育馆、政府机构办公楼及高层建筑等，一旦供电系统突然发生故障而中断供电，将会破坏社会的正常生活秩序，甚至造成重大的政治影响和经济损失。然而，电力故障突发性强，往往不以人的意志为转移，因为无论供电部门管理多严格，电网设施多先进，断电也在所难免。因此就需要做到电源的不间断，即供电线路停电时由备用电源供电。网络时代的UPS产品已经由独立的外设产品发展成为整个计算机和网络系统不可分割的一部分，除了要求其产品可以方便地接入网络和计算机外，有些还要求能够与网络和计算机之间进行双向数据通讯。由于微处理器技术的应用，UPS系统实现了智能化1。智能化UPS一方面实现了设备运行过程中自我状态的监控，对一些故障现象进行预处理，使其始终平稳可靠运行；另一方面实现了计算机和网络与UPS之间的双向数据通讯，用户可以在计算机和网络中的各个节点上实时监视可控制UPS电源的运行状态。自动化是指UPS电源自动完成的一些自我检测，无需人工干预的UPS自动化是实现网络化和保证系统高可靠性的重要因素。在线式UPS电源与后备式UPS电源相比，在线式UPS电源的供电质量明显优于后备式UPS电源，因为它可以实现对负载的稳频、稳压供电，且在由市电供电转换到蓄电池供电时，其转换时间为零。因此，在线式UPS，将会得到越来越广泛的运用。本文介绍的也是在线式UPS电源及其控制电路的设计2。2 在线式UPS电源的工作原理图1 在线式UPS原理图在线式UPS电源一般采用双变换模式。市电正常供电时，交流输入经AC/DC变换转换成直流，一方面给蓄电池充电，另一方面给逆变器供电，逆变器自始至终都处于工作状态，将直流电压经DC/AC逆变成交流电压给用电设备供电。这样的工作模式带来的好处是：对外界电网的各种干扰起到了很好的隔离作用，交流输出波形“干净”（不带任何干扰，接近于标准的正弦波），波形失真小，一般该类UPS电源的波形失真系数都能做到3%以下，而且输出电压的电压稳定度和频率稳定度都很高。另一方面当UPS电源从市电供电转换到电池供电时其转换时间几乎是零，这种转换时间是我们通常意义上所说的UPS切换时间。不过在线式UPS电源也存在另一种转换时间，那就是当蓄电池电压低于允许值以下或整流器、逆变器有故障，或者负载过载时，会发生由正常供电方式向由市电直接旁路供电方式切换的过程，这种切换过程中，如果旁路电压、频率超过UPS可以正常切换的范围，那么UPS会出于保护自身的目的，先等主路输出停止后，才会切换至旁路供电，因此也存在转换时间。显然这是一种故障状态，与通常意义的转换时间是不同的3。3 DSP控制UPS的实现本系统利用DSP完成对PFC整流、逆变、蓄电池充电、输入/出开关的控制；相关输入/出电参数检测、人机界面处理等，并通过DSP内部的串行通信模块(SCI)实现DSP与本地PC机通讯或配置SNMP卡实现网络监控。该UPS是一款典型的数字化控制的智能化、网络化的UPS。该系统利用DSP内部事件管理器的全比较单元产生SPWM信号的管脚PWM1、2控制PFC的上下开关管；PWM3、4控制逆变桥的上下开关管。通过事件管理器的捕获单元记录其引脚上市电两次过零点时定时器的计数值来检测周期。采用的TMS320LF2407是美国TI公司推出的一种低价格、高性能的16位定点运算DSP4。UPS数字控制原理如图2所示。图2 TMS320LF2407控制UPS原理图本系统硬件电路采用以DSP芯片TMS320LF2407为核心的设计。它包括：1、电压电流采样应急电源对电压的采样是通过差分电路实现的。图3示出电压采样的差分电路。对电流的采样是通过霍尔电流传感器经过滤波、电平调整后实现的。本设计中，交流量需计算其有效值，是通过对瞬时采样值的整流、滤波实现的5。图3 电压采样的差分电路图中R1R8=2 R9=R10=100 R11=10 C1C3=0.012、IGBT驱动DSP对充电控制采用EVA模块的定时器1的PWM比较输出，对逆变控制采用EVA模块的比较单元1和比较单元2的比较输出6。IGBT驱动通过专用驱动芯片EXB840实现。EXB840是混合IC，内部具有光耦信号隔离电路和过流保护电路，能驱动高达150A/600V的IGBT和高达75A/1.2kV的IGBT，最高开关频率达40kHz。3、一般I/O信号的处理DSP通过通用I/O口采集和输出各种信号。消防、开机、强迫逆变、停止、备用等输入信号，通过光电隔离电路送至I/O口。继电器、接触器的控制信号由I/O口经辅助继电器输出。4、故障监测该应急电源对电池过压欠压、逆变器过压、逆变器过流、IGBT故障等严重故障，专门设计了硬件锁死电路，系统上电时，其被清零，故障到来时，将其置位，同时封锁PWM输出，引发故障中断，在故障中断程序中检测故障类型。对一般故障则采用查询方式。5、串口通信DSP将采样电路采集的，等参数以及监测到的故障类型、系统的工作状态通过异步串行口输出至人机接口单元。4 结论本文主要研究的是一种基于DSP的在线式UPS数字电源数字控制的实现，利用DSP完成对PFC整流、逆变、蓄电池充电、输入/出开关的控制，实现了UPS设备运行过程中自我状态的监控，对一些故障现象进行预处理，使其始终平稳可靠运行。参考文献1 徐永福. 不间断电源分类的发展及其特点J. 电源世界, 2007(4):26-30.2 王其英.UPS不间断电源剖析与应用M.北京：科学出版社,19973 欧阳韧雄. 选择UPS需要考虑的技术因素J. 电源世界, 2003(1):24-28.4 刘和平.TMS320LF240x DSP结构、原理及应用M.北京：北京航空航天大学出版社,20025 叶书雄, 吴庆彬, 应秋菊,等. 交直流电压隔离差分采样电路: , CN203849325UP. 2014.6 林良锐.