基于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。

　　圖2 母線(xiàn)電壓檢測電路模塊

　　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。

　　圖5 輔助電源監測電路模塊

　　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。

　　圖6 開(kāi)、關(guān)機電路模塊

　　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7 電壓檢測電路模塊