淺談數字控制UPS電源技術(shù)及應用

傳統的UPS采用模擬電路控制，對于生產(chǎn)廠(chǎng)家和用戶(hù)而言，無(wú)論是相控技術(shù)還是SPWM技術(shù)，模擬控制存在諸多局限性。隨著(zhù)信息技術(shù)的發(fā)展，高速數字信號處理芯片（Digital Signal Processor, DSP）的出現，使得數字化的控制在更廣闊電氣控制領(lǐng)域中應用有了可能性，也成為主要發(fā)展趨勢之一。

一、數字控制UPS的應用優(yōu)勢

有了高速數字信號處理芯片的支持，采用數字化的控制策略不僅可以較好的解決UPS電源模擬控制里的有關(guān)問(wèn)題，而且還增加了UPS電源模擬控制中很難實(shí)現的一些控制功能，其主要應用優(yōu)勢有：

（1）數字化控制可采用先進(jìn)的控制方法和智能控制策略，使得UPS的智能化程度更高，性能更加完美。智能化控制代表了自動(dòng)控制的最新發(fā)展階段，繼承了人腦的定性、變結構、自適應等思維模式，也給電力電子控制帶來(lái)了新的活力。在高頻開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)下，逆變電源的模型更加復雜化，這是模擬控制或經(jīng)典控制理論難以有良好控制效果的，而采用先進(jìn)、智能化的數字控制策略，就可以從根本上提高系統的性能指標。

（2）控制靈活，系統升級方便，甚至可以在線(xiàn)修改控制算法，而不必對硬件電路做改動(dòng)。數字控制系統的控制方案體現在控制程序上，一旦相關(guān)硬件資源得到合理的配置，只需要通過(guò)修改控制軟件，就可以提高原有系統的控制性能，或者根據不同的控制對象實(shí)時(shí)、在線(xiàn)更換不同控制策略的控制軟件。

（3）控制系統可靠性提高，易于標準化。由于數字控制的高可靠性，必然使得整個(gè)控制系統可靠性的提高，而且可以針對不同的系統（或不同型號的產(chǎn)品），采用統一的控制板，而只需要對控制軟件做一些修改即可，這對生產(chǎn)廠(chǎng)家而言是有著(zhù)巨大的吸引力的。

（4）系統維護方便，系統一旦出現故障，可以很方便地通過(guò)RS-232或RS-485接口或USB接口進(jìn)行調試，故障查詢(xún)，歷史記錄查詢(xún)，軟件修復，甚至控制參數的在線(xiàn)修改、調試。這樣就可以以較低的成本完成自我校正及遠程服務(wù)，給廠(chǎng)家的售后服務(wù)帶來(lái)了極大的方便。

（5）系統一致性好，成本低，生產(chǎn)制造方便。由于控制軟件不會(huì )像模擬器件那樣存在差異，所以對于同一控制程序的控制板，其一致性是很好的，也沒(méi)有模擬系統中模擬器件調試帶來(lái)的差異問(wèn)題，那么同一控制板的一致性就會(huì )比模擬系統高很多。采用了軟件控制，就實(shí)現了硬件軟件化，使控制板的體積大大減小，生產(chǎn)成本下降。

（6）易于組成并聯(lián)運行系統。由于單位UPS系統均是數字控制，有相應的控制變量代表系統中的狀態(tài)量，那么就可以較方便地獲得均流所需要的信息，利用相應的均流算法實(shí)現UPS的并聯(lián)運行系統。

二、DSP控制的UPS工作流程

DSP控制的數字式UPS電源的工作流程是：當市電正常，輸入電壓、頻率在允許的范圍時(shí)，PFC部分對輸入進(jìn)行功率因數校正，使得該系統的輸入功率因數為0.98左右，同時(shí)避免對電網(wǎng)產(chǎn)生污染，輸入的市電經(jīng)PFC環(huán)節變換得到400V直流輸出電壓，為后面的逆變電路提供能量。同時(shí)DC/DC部分仍然在正常工作，只是由于電池電壓經(jīng)過(guò)DC/DC電路變換得到360V輸出電壓，略小于市電經(jīng)PFC變換得到的直流母線(xiàn)電壓，這樣通過(guò)二極管就將它和直流母線(xiàn)隔離，DC/DC部分空載運行，處于熱備用狀態(tài)。當市電不正常時(shí)，市電掉電或者輸入電壓、頻率不在允許的范圍時(shí)，市電經(jīng)PFC得到直流母線(xiàn)電壓迅速降低，當低于360V時(shí)，二極管導通，使得直流母線(xiàn)電壓維持在360V,此時(shí)逆變器得到的能量是由電池電壓經(jīng)由DC/DC電路變化得到的直流母線(xiàn)電壓。無(wú)論市電是否正常逆變部分均可以正常的工作。一般蓄電池可提供幾分鐘到幾十分鐘的后備供電時(shí)間，大容量的電池組的后備供電時(shí)間可以達幾個(gè)到幾十個(gè)小時(shí)，對于備有柴油發(fā)電機的用戶(hù)，可以在市電停電5~10秒之內把柴油發(fā)電機投入到UPS電源的輸入端，可以在長(cháng)時(shí)間停電的情況下向用戶(hù)提供高質(zhì)量的正弦波電源。經(jīng)處理以后的市電同時(shí)還送給市電電壓/流相位測量電路，產(chǎn)生市電電壓信號和相位信號，供微處理器電壓/流測量和同步鎖相之用。這樣就實(shí)現了對負載的不間斷供電功能。

三、DSP控制的UPS組成結構

UPS要實(shí)現數字化控制，那么用更多的模擬器件才能實(shí)現的控制功能和算法就可以通過(guò)DSP的軟件的編程來(lái)實(shí)現，所以整個(gè)UPS的結構就相比較用模擬器件的實(shí)現的UPS的整體結構要簡(jiǎn)單得多。如圖1所示下面就是數字化的UPS的整體框圖。主要由輸入功率因數校正、逆變部分、DC/DC等組成。

四、DSP控制的UPS關(guān)鍵電路結構

（1）UPS的功率校正電路

輸入功率因數校正電路如圖2所示主要由功率管T5、電感L1、二極管D1、電容C1組成。它為輸入部分提供功率因數校正功能，并且提升電壓至400V.

輸入功率因數校正因數電路的工作原理