基于DSP技術(shù)的雙電源自動轉(zhuǎn)換控制器的設(shè)計

0 引言
    隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，人們對供電連續(xù)性、可靠性的要求越來越高，按國家標準GB50052《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，一級負荷與二級負荷要求由兩路電源供電，且對于一級負荷中特別重要的負荷，除要求兩路電源外，還必須增設(shè)應(yīng)急電源，嚴禁將其他負荷接入應(yīng)急供電系統(tǒng)，雙電源供電系統(tǒng)已經(jīng)成為重要場合必須配備的裝置。
    通過對雙電源供電系統(tǒng)的市場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，70％的故障出在控制器，控制器質(zhì)量的好壞直接影響到系統(tǒng)的性能。目前市場上的雙電源供電系統(tǒng)主要由單片機控制，處理速度慢、精度低、實時性差；高性能控制器主要依賴進口，但國外供電標準、供電環(huán)境與國內(nèi)有差異，國外的雙電源系統(tǒng)不能最大程度地體現(xiàn)其優(yōu)越性能，價格昂貴，性價比低。
    目前市場上的雙電源供電系統(tǒng)基本為兩進線系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，通過控制器實現(xiàn)對常用電源和備用電路的控制。

1 控制器系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
    本設(shè)計方案采用TI公司的TMS320F2812芯片作為控制核心，通過信號采集和處理電路對常用和備用兩路電源的電壓及頻率狀態(tài)進行檢測，通過繼電器回路進行兩路電源的切換，并將實時信息通過人機交互單元進行顯示，該控制器還通過CAN總線、RS485總線實現(xiàn)與遠程機的通訊，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)控，控制器系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 信號調(diào)理電路的設(shè)計與仿真
    信號調(diào)理電路主要完成信號采集和信號處理，包含信號采集電路、全波整流電路、二階有源低通濾波電路三個部分。其中信號采集電路將常用電源和備用電源的220V交流電壓轉(zhuǎn)換為0～3V的交流信號；全波整流電路對弱交流信號進行全波整流，得到全波整流信號；二階有源低通濾波電路實現(xiàn)信號的濾波，將基波在內(nèi)的高次諧波進行濾除，得到全波信號的直流分量，通過直流分量與有效值的關(guān)系實現(xiàn)對電源電壓的測量。
2．1 信號采集電路的設(shè)計
    信號采集電路主要實現(xiàn)將常用電源和備用電源的220V交流電壓轉(zhuǎn)換為弱電壓信號，系統(tǒng)是采用電流型電壓互感器設(shè)計實現(xiàn)的，交流電壓信號采集電路圖如圖3所示。

2．2 全波整流電路的設(shè)計
    (1)全波整流電路的設(shè)計。全波整流電路由正半波整流電路和反相器構(gòu)成，如圖4所示。

    其中由運放器U1A、二極管D1、D2和電阻R1、R2構(gòu)成了正半波整流電路。當輸入信號源Vin處于正半周時，二極管D1導(dǎo)通，D2截止，運算放大器U1A工作在閉環(huán)狀態(tài)，則由電阻R3、R4、R5和運放器U1C構(gòu)成的加法器輸出為：
   
    令R1=R2=R3=R4=2R5，則總的輸出電壓為Vout=Vin，顯然當Vin為負半周時，二極管D1截止，D2導(dǎo)通，輸出Va=0=0，總輸出為Vout=-Vin，由以上分析可知Vout=|Vin|。
    (2)全波整流電路的仿真。將圖5所示的電路在NiMultism 11環(huán)境中進行仿真，其中Vin為50Hz、1Vpk的交流激勵信號，接入虛擬示波器后，得出的仿真結(jié)果如圖5所示。圖中，Channel A波形為Vin的波形圖，Channel B波形為Vout的波形圖。

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    從仿真結(jié)果中可以看到，Vout的幅值為1Vpk，頻率為100Hz，沒有信號失真現(xiàn)象，效果好，較好地得到了交流激勵信號的全波整流波形，實現(xiàn)了全波整流。
    (3)全波整流電路信號分析。假設(shè)交流激勵信號為Vin=Ecos(ω0t)，則交流激勵信號經(jīng)過全波整流電路所得到的信號為Vout=E|cos(ω0t)|，Vout進行傅里葉級數(shù)展開，則有：
   
    由上式可見，Vout由直流分量Vd和周期分量Vp兩部分組成。
    其中Vd又稱為直流分量，為
    周期全波余弦信號的有效值為
    信號的直流分量Vd與有效值V的關(guān)系為
    可以看出，信號的有效值完全可以通過信號的直流分量計算得出，因此在對信號進行濾波處理時，將信號的周期分量濾除，只留下直流分量，通過軟件計算得出信號的有效值。
2．3 二階有源低通濾波器的設(shè)計
    二階有源低通濾波器的電路如圖6所示。

    (1)二階有源低通濾波器系統(tǒng)傳遞函數(shù)。令圖中R1=R2=R，C1=C2=C，則系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為

    (2)二階有源低通濾波器的仿真結(jié)果。將圖6所示的二階濾波電路在Ni Multisim 11環(huán)境下進行仿真，令R1=R2=47k，C1=C2=0．22 μf，輸入為1Vpk的全波余弦信號，得出該濾波電路的幅頻響應(yīng)與輸出信號的波形圖分別如圖7、圖8所示。

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    通過圖7可以看出，若周期全波余弦信號的基波頻率為100Hz時，幅值衰減33dB，基本可以忽略，其三次和高次諧波基本衰減為零。
    從圖8中可以看到，峰值為1．1V的周期全波余弦信號經(jīng)二階有源濾波電路濾波后，只剩下幅值為0．694V的直流分量，濾除效果較好，實現(xiàn)了對周期全波余弦信號的濾波。

3 軟件設(shè)計
    電壓檢測通過DSP2812的片內(nèi)外設(shè)A／D單元完成，實時檢測常用電源和備用電源的電壓值，并將測得的電壓有效值送給液晶顯示、通訊模塊及故障處理模塊進行處理。
3．1 DSP2812的A／D單元的工作原理
    DSP2812的A／D單元共有16個轉(zhuǎn)換通道，可采集0～3V的電壓信號，可設(shè)置為軟件觸發(fā)或EV中的事件源觸發(fā)A／D轉(zhuǎn)換，當A／D單元接收到觸發(fā)信號時，自動開始模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果自動存入結(jié)果寄存器ADCRESULT中，當轉(zhuǎn)換結(jié)束信號到來時，進入ADCINT中斷服務(wù)程序進行相應(yīng)處理。
3．2 電壓檢測流程
    本系統(tǒng)中，設(shè)置ADCINB3通道作為系統(tǒng)A／D采樣的通道，EV模塊的通用定時器GP Timer3的周期中斷作為A／D轉(zhuǎn)換的觸發(fā)信號，每當觸發(fā)信號SOC(Start of Convert)到來時，A／D開始轉(zhuǎn)換；當轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC(End of Convert)到來時，進入A／D中斷服務(wù)程序，對轉(zhuǎn)換結(jié)果進行有效值計算，并利用混合濾波算法對有效值進行數(shù)字濾波，得出理想的電壓有效值。
    ADC單元的中斷服務(wù)程序如下所示：


4 硬件測試與分析
    通過Tektronix的TDS2012B數(shù)字示波器對電路進行實測，其中測得的全波整流信號波形和二階有源濾波器波形如圖9、圖10所示。

    (1)通過圖9與圖5全波整流信號仿真圖比較可以看出，仿真波形與實測波形吻合，實測結(jié)果驗證了硬件電路中全波整流電路模塊設(shè)計的正確性。
    (2)通過圖10與圖8二階有源濾波信號的仿真圖比較可以看出，仿真圖與實測圖吻合，實測結(jié)果驗證了硬件電路中二階有源低通濾波電路模塊設(shè)計的正確性。
    經(jīng)過信號調(diào)理后的信號通過DSP2812的片內(nèi)AD轉(zhuǎn)換后，得出該信號的電壓有效值為1．43V，驗證了該模塊軟件設(shè)計的正確性，在CCS環(huán)境中進行在線調(diào)試，電壓測試結(jié)果如圖11所示。

    通過軟件調(diào)試結(jié)果可以看出，軟件測試、硬件測試結(jié)果均與系統(tǒng)仿真結(jié)果相同，驗證了系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計的正確性。