模拟卷基于COS的分布式应急电源控制系统设计

Using the research method of literature means of observation behavioral approach conceptual analysis and the pattern of information seeking of local and overseas were analyzed and compared Basic pattern strategies of technology information seeking 基于 C OS 的分布式应急电源控制系统设计 基于 C OS 的分布式应急电源控制系统设计 中国船舶重工集团公司第 712 研究所 武汉 金雪丰 王华敏 董宏宪 邓为 摘要 针对传统应急电源控制系统的局限性 结合 DSP 的资源优势以及源代码公开的 C OSII 实时操作 系统内核的强健性 设计了基于 DSP C OS 的应急电源控制系统 来进一步满足应急电源高性能 高 可靠性的要求 ABSTRACT Aiming at the limitations of the traditional emergency power system combining the resource superiority of DSP and the real time feature of C OS the new system based on DSP and C OS is designed in this paper Consequently further meeting the demand of high quality and reliability to EPS 关键词 DSP C OS 应急电源 Keywords DSP C OS Emergency power system 1 引言 随着社会的发展 对供电可靠性的要求越来越高 一旦某些重要设施供电系统突然发生故障而中断供电 将会破坏社会的正常秩序 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 断电情况必 须考虑 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 应急电源又称 EPS Emergency Power System 具有下述优点 1 电网有电时 处于静态 无噪音 供电时 噪音小 于 60dB 不需排烟和防震处理 具有节能 无公害 无火灾隐患的特点 2 自动切换 可实现无人值 守 电网供电与 EPS 电源供电相互切换时间均为 0 1 0 25s 3 带载能力强 EPS 适应于电感性电容 性 及综合性负载的设备 如电梯 水泵 风机办公自动化设备 应急照明等 4 使用可靠 主机寿 命长达 20 年以上 5 适应恶劣环境 可放置于地下室或配电室 也可紧靠应急负荷使用场所就地设置 以减少供电线路 2 工作原理 图 1 EPS 原理图 1 当三相市电正常时 EPS 一路直接为负载供电 一路经过充电机给蓄电池组充电 2 当三相市电异常时 EPS 的检测装置立即发出指令 0 1 秒内由蓄电池组的直流电经过逆变装置输出 三相交流电源给负载供电 供电时间为 90 分钟 3 EPS 供电过程中 如三相市电恢复正常 EPS 的检测装置立即发出指令 0 1 秒内恢复到 1 的工 作状态 4 EPS 提供远程强制启动干接点 DC24V 如检测到 DC24V 电源输入 EPS 会强制切换至应急输出 自动切换不起作用 无电时 EPS 工作在自动切换状态 3 DSP 硬件设计 本系统采用 TI 公司的 TMS320F240 型 DSP 器件作为主要控制芯片 该 DSP 芯片指令执行速度快 内嵌 Flash ROM 和 RAM 内部的事务管理模块可以输出多路 PWM 波 同时内含 8 路 10 位 A D 通道及大量 I O 端口 因此由它来构建数字控制系统时 硬件电路大大简化 以 DSP 芯片 TMS320LF2407 为核心的硬件电路设计主要包括 1 应急电源对电压的采样是通过差分电路实现的 图 2 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 2 图 2 电压采样的差分电路 2 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 通过专用驱动模块 2SD315A 为核心元件的驱动电 路来驱动 IGBT 2SD315A 驱动模块具有结构紧凑 使用简单 可靠 隔离电压高等优点 用两个 2SD315A 模块来驱动主电路的 H 桥 只需外加很少的外部元件 在连接驱动电路与 IGBT 时 要注意连 线不能太长 最好是小于 10cm 否则会使 IGBT 的驱动信号受到较大干扰 造成 IGBT 的误触发 此外 要根据 IGBT 的特性参数 选择合适的集射极保护电压及门极驱动电阻 3 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 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 DSP 将采样电路采集的 ic UH ib ub 等参数以及监测到的故障类型 系统的工作状态通过 CAN 总线输出至上位监控系统 4 软件设计 C OS II 是一个实时操作系统的内核 它的大部分源代码都是使用 ANSI C 写的 有很强的移植性 它的 内核功能丰富 具有可裁减性 用户可根据自身需要来配置编译条件 将实时内核裁剪到满足自己功能的 最小状态 在本系统中 有针对的编写了 uC OS II 移植程序及硬件电路的驱动程序 应用程序从函数 main 开始 main 内容如下 void main void SysInit 系统初始化 OSInit 初始化 u C OS II OSTaskCreate TaskStart void 0 void TaskStk 0 0 5 建立起始任务 OSStart 开始多任务调度 其中 SysInit 对系统的初始化工作主要包括 建立相关参数和变量 设置各种中断 以及对各器件进行 初始化 OSInit 用于对 uC Os II 操作系统进行初始化 起始任务 TaskStart 是一个建立其它任务的任务 接着 建立邮箱用于任务间的通信 再接下来 用 OSTaskCreate 函数建立不同功能的任务 SCI 通信任 务 SCIComm Task LCD 液晶屏刷新任务 LCD Fresh Task 脉宽计算任务 PW Calculate Task 逆 变器输出电压采集任务 Vo Sample Task 键盘扫描任务 Key Scan Task 时钟更新任务 Time Fresh Task 市电电压采集以及监测任务 Vi Sample Task 任务优先级的确定原则是工作频率越 高 任务的优先级越高 任务之间的通信是通过发送或接受消息 信号或数据队列来实现的 另外 uC OS II 在 F2407 上的移植和配置的方法如下 1 在 OS CPU H 中定义相关的宏 声明能够识别的数据类型和堆栈增长方向 OS CPU C C 中定义以下 6 个函数 OSTaskStklnit OSTaskCreateHook OSTaskSwHOok OST W lefook OSTaskStatHook OST3meT5ckHook 实际上真正需要定义的只有 OSTaskStklnit 其余 5 个只需声 明 不一定要有实际内容 这 5 个函数都是需要由用户定义的接口函数 2 在 OS CPU A ASM 中修改以下几个汇编函数 OSStartHighRdy OSCtxSw OS1ntCtxSw OSTickISR OSStarthighRdy 的功能是运行优先级最高的就绪任务 该函数由 OSStartp 函 数调用 OSStart 的调用是建立在 OSInit 的调用并且至少已经建立一个任务的墓础上的 OSCtxSw 是 一个任务级的任务切换函数 该函数在任务中调用 OSIntCtxSw 是一个中断级的任务切换函数 OSCtxSw 为时钟中断服务函数 时钟中断程序负责处理所有与定时相关的工作 如任务的延时 等待等 在时钟中断中将查询处于等待状态的任务 判断是否延时结束 则将重新进行任务调度 3 在主头文件 INCLUDES H 中增加 OS CPU H OS CPU C C 和 OS CPU A ASM 因为 INCLUDES H 是主头文件 它将被所有后级名为 C 的文件所包含 在移植时 需要对该文件进行改写 在文件末尾增 加以下头文件 include include include 4 在配置文件 OS CFG H 中 定义最大事件数 最多内存分块数 最多消息队列数 最多任务数 最低 任务优先级 是否允许信号使能 是否允许邮箱使能 是否允许消息队列使能 时钟节拍数以及其他的一 些配置 通过修改这些设置 可对 uC OS II 进行裁剪 使之适应本系统的具体需要 系统采用中断方式接收上位机的指令 采用查询方式发送 当上位机发出读数 启动或停止操作命令后 嵌入式系统将产生中断 并发送应答信号 然后根据收到的命令类型进行相应操作 5 功率变换算法 本系统脉冲宽度计算采用规则采样法 计算公式如式 1 1 其中 Usm 为正弦波的幅值 Utm 为三角波的幅值 N 为载波比 1 交变电源的高次谐波幅值为 2 由 2 式可以看出 N 越大 高次谐波幅值越小 基于 IGBT 的器件特性 N 不能无限大 取 N 400 则高 次谐波幅值 Um n 很容易被滤波器滤去 考虑到处于开关工作状态中的 IGBT 管从开通转为截止状态时 容易产生较长的 拖尾 现象 并进而导致 IGBT 因瞬时功耗偏大而影响 EPS 逆变器的可靠性 因此 在 用