DSP在線(xiàn)式UPS不間斷電源控制系統的研究

　　引言

　　隨著(zhù)計算機的普及和信息處理技術(shù)的廣泛應用，不間斷電源UPS在關(guān)鍵負載連接至公共電網(wǎng)方面扮演著(zhù)重要角色。它們旨在為處于任何正?；虍惓?shí)用電源條件下的負載提供清潔、持續的電源。德州儀器(TI)TMS320F28335 DSP為在線(xiàn)UPS設計提供增強的、經(jīng)濟高效的解決方案，可以高速執行多種控制算法，從而使實(shí)現高采樣速率成為可能。

　　本文實(shí)現了基于TMS320F28335的不間斷電源控制系統的設計，該系統能夠在單芯片中實(shí)現在線(xiàn)UPS的多控制環(huán)路，從而提高集成度并降低系統成本。數字控制還為每個(gè)控制器帶來(lái)可編程性、抗噪聲干擾和避免冗余電壓及電流傳感器的使用等優(yōu)點(diǎn)。DSP可編程性意味著(zhù)可以使用增強的算法更新系統以提高可靠性。

　　系統介紹 UPS主要按工作方式來(lái)分類(lèi)，它分為后備式、在線(xiàn)互動(dòng)式、在線(xiàn)式三大類(lèi)。在線(xiàn)式UPS輸出多為正弦波，且電壓及頻率穩定，所以它多被用在供電質(zhì)量要求很高的場(chǎng)所。本文所介紹的UPS供電系統是屬于在線(xiàn)式的，主要由輸入濾波器、充電器、DC/DC變換器、微控制器、逆變電路、輸入功率因素調節電路、RS232通訊接口、報警電路等部分組成。

　　UPS系統的控制器采用TI公司推出的業(yè)界首款浮點(diǎn)TMS320F28335 DSP，它具有150MHz高速處理能力，具備32位浮點(diǎn)處理單元，單指令周期32位累加運算，可滿(mǎn)足應用于更快代碼開(kāi)發(fā)與集成高級控制器的浮點(diǎn)處理器性能的要求。與前代領(lǐng)先的DSP相比，最新的F2833x浮點(diǎn)控制器不僅可將性能平均提升50%，還具有精度更高、簡(jiǎn)化軟件開(kāi)發(fā)、兼容定點(diǎn)C28xTM控制器軟件的特點(diǎn)。該系統總體框圖如圖1所示。

　　圖1 系統總體框圖 當市電正常時(shí)，在線(xiàn)式UPS輸入220V交流電壓，經(jīng)過(guò)EMI/RFI濾波后，被送到繼電器RY2。當市電電源的電壓正常時(shí)，RY1繼電器處于閉合狀態(tài)。在此條件下，市電電源將分以下幾路去控制后級電路的運行： (I)市電直接經(jīng)交流旁路被送到常閉觸點(diǎn)繼電器RY2，然后向負載供電。這種情況一直維持到UPS執行開(kāi)機“自診斷”檢測操作后，通過(guò)微處理器的調控將UPS從市電供電狀態(tài)切換到逆變器供電狀態(tài)為止。

　　(II)經(jīng)充電器對UPS的內置蓄電池組進(jìn)行充電。

　　(III)市電電源經(jīng)由保險絲后，再經(jīng)帶輸入功率因數調節功能的整流濾波器，變成兩路直流電源。該直流高壓電源在逆變器內經(jīng)正弦脈寬調制功率放大和高頻濾波后，變成一路幅值穩定，頻率和相位同步跟蹤市電電網(wǎng)頻率和相位的高質(zhì)量的純正正弦電源，最后通過(guò)輸出濾波器送到負載。

　　(IV)當市電供電異常時(shí)，電池的電壓通過(guò)DC/DC變換器變成幅值高達±390V的直流高壓電源，然后再經(jīng)過(guò)逆變器，變換成交流正弦波供給負載。

　　系統的硬件設計 本方案是利用TMS320F28335微控制器來(lái)設計UPS控制板的系統的電路。該系統是由母線(xiàn)電壓檢測電路模塊，幅值檢測電路模塊，電流峰值保護電路模塊，輔助電源監測電路模塊，開(kāi)、關(guān)機電路模塊，電壓檢測電路模塊，PWM產(chǎn)生電路模塊，繼電器控制電路模塊，外擴存儲器模塊以及峰鳴產(chǎn)生電路模塊等組成。

　　母線(xiàn)電壓檢測模塊 母線(xiàn)電壓檢測電路模塊如圖2所示。分壓后的+BUS電壓經(jīng)RC濾波后送往DSP的AD轉換引腳ADCINA2。分壓后的-BUS電壓經(jīng)反相器后，再經(jīng)RC濾波器送往DSP的AD轉換引腳ADCINA3。

　　幅值檢測電路模塊 幅值檢測電路如圖3所示，它用于逆變器輸出電壓、市電輸入電壓、負載電流幅值檢測。該電路采用正值單向有源精密檢波器實(shí)現的，采用有源精密檢波器的目的是確保從該檢波器輸出端得到的單極性信號的幅值總是與輸入到檢波器的正弦波信號的幅值保持著(zhù)嚴格的線(xiàn)性關(guān)系，用以消除一般二極管檢波器在小信號輸入時(shí)可能產(chǎn)生的非線(xiàn)性失真。

　　圖2 母線(xiàn)電壓檢測電路模塊

　　圖3 幅值檢測電路模塊 電流峰值保護電路模塊 電流峰值保護電路如圖4所示，功率板上的UPS輸出電源通過(guò)電流互感器后，以電壓形式表現電流大小的信號通過(guò)信號放大器后分三路走。一路經(jīng)過(guò)幅值檢測電路，送往DSP的ADCINA0引腳;一路經(jīng)過(guò)電流過(guò)零檢測電路后，送往DSP的GPIO75引腳;另一路經(jīng)過(guò)過(guò)載、短路保護電路。當負載過(guò)載或短路時(shí)，PWM_OFF變?yōu)榈碗娖叫盘?，就?huì )立即關(guān)斷逆變器所需的兩路PWM波輸出，同時(shí)DSP將系統切換到旁路工作模式，起到迅速保護作用。

　　圖4 電流峰值保護模塊 輔助電源監測電路模塊 輔助電源監測電路如圖5所示，正常情況下，運放的輸出經(jīng)上拉電阻箝位為5V，若12V電源因某種原因低于10V或5V電源因某種原因高于5V，則運放的輸出會(huì )變?yōu)榈碗娖?，那么由于二極管D的作用，PWM_OFF將會(huì )被拉到低電平，這樣就會(huì )關(guān)斷PWM輸出，起到保護作用。

　　開(kāi)、關(guān)機電路模塊 系統的開(kāi)、關(guān)機電路如圖6所示。當按下開(kāi)機按鍵時(shí)，經(jīng)分壓后的電池正極電源經(jīng)開(kāi)機按鍵、限流電阻、二極管送到功率板上的開(kāi)機電路，然后功率板產(chǎn)生12V、5V直流輔助電源，給控制板供電。當DSP啟動(dòng)后，就掃描GPIO78引腳，查看是否真正開(kāi)機。如果確認是開(kāi)機鍵被按下，那么就進(jìn)行“自檢”。當按下“關(guān)機”鍵時(shí)，GPIO77為高電平，DSP掃描到該引腳為高電平的時(shí)候，就進(jìn)行關(guān)機操作。

　　電壓檢測電路模塊 電池電壓檢測電路模塊如圖7所示。電池組電壓經(jīng)分壓后，送往DSP的AD轉換引腳ADCINA4。

　　圖5 輔助電源監測電路模塊

　　圖6 開(kāi)、關(guān)機電路模塊

　　圖7 電壓檢測電路模塊 PWM產(chǎn)生電路模塊 三角波產(chǎn)生電路的輸入信號是來(lái)自DSP的EPWM1A的引腳,該信號是PWM信號，它經(jīng)過(guò)積分后，變?yōu)槿遣?，送入PWM產(chǎn)生電路。來(lái)自TMS320F28335的PWM信號EPWM2A經(jīng)過(guò)二階低通濾波后，產(chǎn)生正弦參考波信號，該信號與逆變輸出的電壓反饋信號反相。EPWM2A引腳所輸出的PWM信號是跟蹤市電輸入的，該電路具有對輸出的正弦波信號進(jìn)行調控作用。如圖8所示是三角波和正弦波的產(chǎn)生電路。

　　PWM產(chǎn)生電路模塊如圖9所示，它采用正弦脈寬調制(SPWM)法來(lái)實(shí)現脈寬調制的目的。根據調制原理可以在比較器的輸出端得到一個(gè)脈寬等于三角波大于正弦波部份所對應的時(shí)間間隔的正脈沖。圖中PWM_OFF信號用于控制PWM的輸出，當該信號為低電平時(shí)無(wú)PWM輸出。

　　圖8 三角波和正弦波的產(chǎn)生電路

　　圖9 PWM產(chǎn)生電路模塊 繼電器控制電路模塊 繼電器控制電路模塊，是用NPN三極管來(lái)實(shí)現對繼電器的驅動(dòng)，其控制信號來(lái)自TMS32028335的GPIO64引腳。當GPIO64輸出高電平時(shí)，繼電器RY1動(dòng)作。同樣，繼電器RY2也使用該驅動(dòng)電路。

　　外擴存儲器模塊 外擴的存儲器電路，該電路主要用于記錄系統的工作狀況，比如每天系統的負載量、市電電壓、工作時(shí)間等。所記錄的數據通過(guò)RSR232通信接口供給PC端軟件分析，實(shí)現人機界面的多功能性。外擴存儲器具有512K8Bits FLASH和4K8bits SRAM存儲空間，DSP與外擴存儲器通過(guò)通信協(xié)議進(jìn)行數據傳輸。

　　峰鳴產(chǎn)生電路模塊 峰鳴產(chǎn)生電路模塊，當來(lái)自TMS32028335的GPIO63引腳輸出高電平時(shí)，系統峰鳴。

　　系統的軟件設計 整個(gè)系統程序流程如圖10所示。

　　圖10 系統程序流程圖 定時(shí)器周期中斷流程圖如圖11。

　　圖11 定時(shí)器周期中斷流程圖 A/D采樣子程序 主要完成線(xiàn)電流采樣和線(xiàn)電壓采樣。為確保電壓與電流信號間沒(méi)有相對相移，本部分利用TMS320F28335片上ADC的同步采樣方式。為提高采樣精度，在A(yíng)/D中斷子程序中采用了均值濾波的方法。

　　interrupt void adc_isr(void) { if(counter==0) { receive_a0_data[i++] = AdcRegs.ADCRESULT0>>4; //右移四位 receive_b0_data[j++] = AdcRegs.ADCRESULT1>>4; //右移四位 } if(counter>=1) { /?對結果取平均，平滑濾波 receive_a0_data[i++] = (receive_a0_data[i0++]+(AdcRegs.ADCRESULT0>>4))/2; receive_b0_data[j++] = (receive_b0_data[j0++]+(AdcRegs.ADCRESULT1>>4))/2; } if(i==512) {i=0;i0=0;} if(j==512) {j=0;j0=0; counter++;} AdcRegs.ADCTRL2.bit.RST_SEQ1 = 1; /?復位排序器 AdcRegs.ADCST.bit.INT_SEQ1_CLR = 1; /?清中斷標志位 PieCtrlRegs.PIEACK.all = PIEACK_GROUP1; /?開(kāi)中斷應答 實(shí)驗結果 在實(shí)驗過(guò)程中，利用示波器檢測穩定狀態(tài)下逆變器輸出電壓跟蹤交流電網(wǎng)電壓的波形，由結果可知逆變器系統基本可以實(shí)現無(wú)靜差跟蹤。電網(wǎng)突然掉電時(shí)，系統切換保護波形，切換時(shí)間<10ms，表明該UPS電網(wǎng)失電檢測速度快，切換時(shí)間短;交流電網(wǎng)欠壓<190V時(shí)，UPS輸出由電網(wǎng)轉換為逆變器對負載供電的波形，切換過(guò)程中電壓波形波動(dòng)小。逆變器輸出電壓失真度小，切換時(shí)間<10ms，UPS突加負載時(shí)輸出電壓動(dòng)態(tài)響應波形，可見(jiàn)輸出電壓波動(dòng)小，恢復時(shí)間<40ms ，動(dòng)態(tài)響應速度快，滿(mǎn)足了穩定、動(dòng)態(tài)性能要求。

　　系統的基本參數

　　結束語(yǔ)

　　在線(xiàn)式UPS不間斷電源控制系統以TMS320F28335作為主控芯片較以往傳統的模擬系統具有結構緊湊、可靠性好、精度高、調試方便，以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，完全體現了數字控制的優(yōu)勢。從試驗結果看，完全滿(mǎn)足系統要求。最終可向用戶(hù)提供可靠、準確、穩定的電源電壓，實(shí)現了在線(xiàn)式UPS 的數字化、智能化和網(wǎng)絡(luò )化，具有較好的市場(chǎng)應用前景。