（信号与信息处理专业论文）在线式ups的研究.pdf

摘 要 i 摘 要 随着电力电子技术、信息技术及相关产业的飞速发展，不间断电源（ups）在我 国国民经济的各行各业，尤其在计算机、银行、通信、医院等重要用电行业中起着决 定性的作用。在众多 ups 中，在线式 ups 的性能最好，它可以在市电正常及故障情 况下都能够为负载提供高质量、无间断的纯净正弦波交流电源。故本文主要研究在线 式 ups。 本文研究了一种基于 dsp 的在线式 ups，这是一种功能完备、性能优异的新型 ups。 采用 dsp 控制芯片可以将先进的控制算法引入到 ups 的控制系统中来， 实现了 ups 的全数字控制，提高了 ups 的性能和精度。本文采用 dsp/tms320f2812 作为 ups 的主控芯片，满足了系统的高速、实时、高可靠性的要求。 本文首先详细介绍了整个在线式 ups 的结构、工作原理，逆变系统拓扑结构及 dsp 的结构、控制的优越性。其次对 ups 逆变系统的控制策略进行了深入研究，针对 目前国内外几种常用的 ups 逆变系统的控制方法进行分析比较， 最终确定了采用一种 模糊自适应 pi 双闭环的控制策略，对在线式 ups 进行数字化控制，通过仿真实验验 证，表明该控制方法提高了逆变器的性能。 本文对在线式 ups 的软硬件设计进行了研究。根据在线式 ups 的功能要求，设 计了硬件电路，并给出了电路中参数的具体计算过程；根据功能要求设计了系统的各 个功能模块的软件流程，给出了程序流程图。最后搭建 ups 的硬件实验平台，实验结 果表明系统的各项性能指标和功能均达到了预期的目标。 关键词 在线式 ups；逆变器；模糊自适应 pi；dsp；双闭环 江苏科技大学工学硕士学位论文 ii abstract iii abstract with the development of power electronic technology, information technology and the related industries, uninterrupted power supply (ups) play a key role in our national economy industry, especially in computers, banking, communication systems and medical systems. the capability of the on-line ups is the best among all kinds of ups. it can provide reliable and uninterrupted pure sine wave power supply for loads either power good or not, so this paper studies on-line ups. in this paper, the study of the on-line ups is based on dsp, it will be a new type ups, which has full-feature and good performances. using dsp chip in ups can apply advanced control strategies to power system and achieve full digital control of ups, improve the performance and accuracy of ups. therefore, this paper use the dsp/tms320f2812 as the main controller chip, this chip can meet the high-speed, real-time, high reliability requirements of system operation. first of all, this paper details the on-line ups structure, working principle, inverter system topology and the superiority of the dsp control. followed， research the ups inverter system control strategy, analysis and comparison several commonly used digital-control programs of inverter power supply system at home and abroad, finalized using a fuzzy adaptive pi double-loop control strategy to control the ups. simulation results verify that the control method improve the performance of the inverter power supply system. this article studies the hardware and software design of on-line ups. according to functions of ups, this article designs the hardware circuits of the system and calculates the circuits specific parameters; designing various functional modules of the software process and giving process flow diagram. finally, a ups hardware experiment platform has been built, the experimental results show that the performance indicators and functions of the system have achieved the desired goal. keywords on-line ups; inverter; fuzzy adaptive pi; dsp; double-loop 江苏科技大学工学硕士学位论文 iv 目 录 v 目 录 摘要 . i abstract . iii 第 1 章 绪论 . 1 1.1 ups 概述 . 1 1.2 ups 的发展 . 3 1.3 基于 dsp 控制的在线式 ups 的优越性 . 4 1.4 课题研究的内容与方法 . 5 第 2 章 在线式 ups 原理 . 6 2.1 在线式 ups 结构 . 6 2.2 在线式 ups 工作原理 . 8 2.3 ups 逆变系统的拓扑结构 . 8 2.4 控制芯片简介 . 10 2.4.1 控制芯片的选择 . 10 2.4.2 tms320f2812 简介 . 11 2.5 spwm 控制技术 . 12 2.5.1 spwm 控制的基本原理 . 12 2.5.2 spwm 调制方式 . 13 2.6 ups 数字控制策略综述 . 15 第 3 章 在线式 ups 的控制算法及仿真 . 18 3.1 pid 控制算法 . 18 3.2 模糊控制 . 20 3.3 模糊自适应 pi 双闭环控制器的设计 . 22 3.3.1 模糊自适应 pi 控制器的设计 . 23 3.3.2 控制器的设计 . 25 3.4 ups 逆变器仿真 . 26 3.5 有源功率因数校正电路仿真 . 28 3.6 dc/dc 变换器仿真 . 29 3.7 本章小结 . 30 第 4 章 在线式 ups 硬件设计 . 31 4.1 主电路 . 31 4.1.1 有源功率因数校正（apfc）电路 . 31 4.1.2 单相全桥逆变电路 . 33 4.1.3 dc/dc 变换器 . 36 江苏科技大学工学硕士学位论文 vi 4.1.4 蓄电池组及其充电电路 . 39 4.1.5 静态转换开关 . 41 4.2 驱动电路 . 42 4.2.1 igbt 器件对驱动电路的要求 . 42 4.2.2 驱动电路的设计 . 42 4.3 采样电路的设计 . 43 4.4 保护电路设计 . 44 4.5 本章小结 . 45 第 5 章 在线式 ups 软件设计. 46 5.1 软件开发环境介绍 . 46 5.2 系统软件设计 . 46 5.2.1 主程序设计 . 46 5.2.2 初始化程序设计 . 47 5.2.3 a/d 采样模块设计. 48 5.2.4 定时器 t2 中断程序设计 . 48 5.2.5 pid 控制器的设计 . 49 5.2.6 保护程序设计 . 50 5.3 本章小结 . 50 第 6 章 实验结果 . 51 6.1 硬件平台和实验结果 . 51 6.1.1 硬件平台 . 51 6.1.2 实验结果 . 52 6.2 本章小结 . 54 总结 . 55 参考文献 . 57 攻读硕士学位期间发表或撰写的学术论文 . 61 致谢 . 63 contents vii contents abstract(chinese) . i abstract(english) . iii chapter 1 introduction . 1 1.1 ups overview . 1 1.2 ups development . 3 1.3 online ups superiority based on dsp control . 4 1.4 the contents and methods of research . 5 chapter 2 online ups principles . 6 2.1 structure of online ups . 6 2.2 the working principle of online ups . 8 2.3 the topology of ups inverter . 8 2.4 control chip introduction . 10 2.4.1 the selection of control chip . 10 2.4.2 tms320f2812 introduction . 11 2.5 spwm control technology . 12 2.5.1 spwm control principle . 12 2.5.2 spwm modulation . 13 2.6 digital control strategies of ups . 15 chapter 3 online ups control algorithm and simulation . 18 3.1 pid control . 18 3.2 fuzzy control. 20 3.3 the design of fuzzy adaptive double-loop pi controller . 22 3.3.1 the design of fuzzy adaptive pi controller . 23 3.3.2 the design of controller . 25 3.4 simulation of ups inverter . 26 3.5 simulation of active power factor correction circuit . 28 3.6 simulation of dc/dc converter . 29 3.7 chapter summary . 30 chapter 4 online ups hardware design . 31 4.1 the main circuit . 31 江苏科技大学工学硕士学位论文 viii 4.1.1 active power factor correction circuit . 31 4.1.2 single-phase full-bridge inverter circuit . 33 4.1.3 dc/dc converter . 36 4.1.4 batteries and charging circuit . 39 4.1.5 static transfer switch . 41 4.2 driver . 42 4.2.1 igbt devices on the drive circuit requirements . 42 4.2.2 driving circuit design . 42 4.3 the design of sampling circuit . 43 4.4 the design of protection circuit . 44 4.5 chapter summary . 45 chapter 5 online ups software design . 46 5.1 software development environment introduction . 46 5.2 the design of system software . 46 5.2.1 the design of main program . 46 5.2.2 the design of initialization program . 47 5.2.3 the design of a/d sampling module . 48 5.2.4 the design of timer 2 interrupt program . 48 5.2.5 the design of pid controller . 49 5.2.6 the design of protection program . 50 5.3 chapter summary . 50 chapter 6 experimental results . 51 6.1 hardware platform and experimental results . 51 6.1.1 hardware platform . 51 6.1.2 experimental results . 52 6.2 chapter summary . 54 conclusions . 55 references . 57 academic thesis published during studying for masters degree . 61 acknowledgements . 63 第 1 章 绪论 - 1 - 第 1 章 绪论 1.1 ups 概述 ups（uninterrupted power supply）即不间断电源，它是一种被置于交流电网和用 电负载之间，目的是改善对负载设备的供电质量，并在市电发生故障时，保证负载正 常运行的电力电子设备1。随着电子技术，信息技术及相关产业的飞速发展，ups 电 源被广泛地应用到我国国民经济的各行各业中。在银行金融管理、通讯事业、航空航 天技术、医疗、计算机网络、办公室自动化管理等系统中，为确保数据、程序软件及 图像处理的安全、准确和稳定可靠，ups 不间断电源变得不可或缺。 ups 的种类繁多，分类方式也多种多样，按功率大小可以分为大中小三种功率容 量；按输入输出方式可以分为单相入单相出、三相入单相出或三相入三相出；按工作 原理还可以分为动态 ups 和静态 ups 两大类。根据新标准 iec 按其结构和工作模式 分为以下三类： 1、后备式 ups 电源 滤波 电池 转换开关 充电器逆变器 输入 输出 图 1.1 后备式 ups 系统框图 fig.1.1 block diagram of off-line ups 后备式又称离线式。如图 1.1 所示，ups 的运行原理是：在市电供电正常时，市 电滤波后直接向负载提供电源，ups 的逆变器不工作，蓄电池由充电器充电；在市电 供电中断时，蓄电池才向逆变器供电，再由 ups 的逆变器对负载提供交流电源。即 ups 的逆变器总是处于对负载提供后备供电状态。由此可见，后备式 ups 电源无法避 免交流电网上存在的尖峰浪涌、电压波动及频率变化等电气污染，用于对供电质量要 求不高的场合。 2、在线式 ups 电源 如图 1.2 所示，ups 的运行原理是：当市电供电正常时，市电首先经过整流器变 成直流电，再由逆变器把直流电逆变成正弦波交流电对负载提