基于DSP在線式UPS不間斷電源控制系統(tǒng)的研究

引言

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

本文實現(xiàn)了基于TMS320F28335的不間斷電源控制系統(tǒng)的設計，該系統(tǒng)能夠在單芯片中實現(xiàn)在線UPS的多控制環(huán)路，從而提高集成度并降低系統(tǒng)成本。數(shù)字控制還為每個控制器帶來可編程性、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。DSP 可編程性意味著可以使用增強的算法更新系統(tǒng)以提高可靠性。

系統(tǒng)介紹

UPS主要按工作方式來分類，它分為后備式、在線互動式、在線式三大類。在線式UPS輸出多為正弦波，且電壓及頻率穩(wěn)定，所以它多被用在供電質量要求很高的場所。本文所介紹的UPS供電系統(tǒng)是屬于在線式的，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(jié)電路、RS232通訊接口、報警電路等部分組成。

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

圖１ 系統(tǒng)總體框圖

當市電正常時，在線式UPS輸入220V交流電壓，經(jīng)過EMI/RFI濾波后，被送到繼電器RY2。當市電電源的電壓正常時，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繼電器RY2，然后向負載供電。這種情況一直維持到UPS執(zhí)行開機“自診斷”檢測操作后，通過微處理器的調控將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(shù)調節(jié)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(wěn)定，頻率和相位同步跟蹤市電電網(wǎng)頻率和相位的高質量的純正正弦電源，最后通過輸出濾波器送到負載。

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

系統(tǒng)的硬件設計

本方案是利用TMS320F28335微控制器來設計UPS控制板的系統(tǒng)的電路。該系統(tǒng)是由母線電壓檢測電路模塊，幅值檢測電路模塊，電流峰值保護電路模塊，輔助電源監(jiān)測電路模塊，開、關機電路模塊，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。

母線電壓檢測模塊

母線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現(xiàn)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嚴格的線性關系，用以消除一般二極管檢波器在小信號輸入時可能產(chǎn)生的非線性失真。

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輸出電源通過電流互感器后，以電壓形式表現(xiàn)電流大小的信號通過信號放大器后分三路走。一路經(jīng)過幅值檢測電路，送往DSP的ADCINA0引腳；一路經(jīng)過電流過零檢測電路后，送往DSP的GPIO75引腳；另一路經(jīng)過過載、短路保護電路。當負載過載或短路時，PWM_OFF變?yōu)榈碗娖叫盘?，就會立即關斷逆變器所需的兩路PWM波輸出，同時DSP將系統(tǒng)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(jiān)測電路模塊

輔助電源監(jiān)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，則運放的輸出會變?yōu)榈碗娖?，那么由于二極管D的作用，PWM_OFF將會被拉到低電平，這樣就會關斷PWM輸出，起到保護作用。

圖5 輔助電源監(jiān)測電路模塊

開、關機電路模塊

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

圖6 開、關機電路模塊

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

PWM產(chǎn)生電路模塊

三角波產(chǎn)生電路的輸入信號是來自DSP的EPWM1A的引腳,該信號是PWM信號，它經(jīng)過積分后，變?yōu)槿遣ǎ腿隤WM產(chǎn)生電路。來自TMS320F28335的PWM信號EPWM2A經(jīng)過二階低通濾波后，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行調控作用。如圖8所示是三角波和正弦波的產(chǎn)生電路。

圖8 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）法來實現(xiàn)脈寬調制的目的。根據(jù)調制原理可以在比較器的輸出端得到一個脈寬等于三角波大于正弦波部份所對應的時間間隔的正脈沖。圖中PWM_OFF信號用于控制PWM的輸出，當該信號為低電平時無PWM輸出。

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三極管來實現(xiàn)對繼電器的驅動，其控制信號來自TMS32028335的GPIO64引腳。當GPIO64輸出高電平時，繼電器RY1動作。同樣，繼電器RY2也使用該驅動電路。

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(tǒng)的工作狀況，比如每天系統(tǒng)的負載量、市電電壓、工作時間等。所記錄的數(shù)據(jù)通過RSR232通信接口供給PC端軟件分析，實現(xiàn)人機界面的多功能性。外擴存儲器具有512K*8Bits FLASH和4K*8bits SRAM存儲空間，DSP與外擴存儲器通過通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。

峰鳴產(chǎn)生電路模塊

峰鳴產(chǎn)生電路模塊，當來自TMS32028335的GPIO63引腳輸出高電平時，系統(tǒng)峰鳴。

系統(tǒng)的軟件設計

整個系統(tǒng)程序流程如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)程序流程圖

定時器周期中斷流程圖如圖11。

圖11 定時器周期中斷流程圖

A/D采樣子程序

主要完成線電流采樣和線電壓采樣。為確保電壓與電流信號間沒有相對相移，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/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; // 開中斷應答

實驗結果

在實驗過程中，利用示波器檢測穩(wěn)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(tǒng)基本可以實現(xiàn)無靜差跟蹤。電網(wǎng)突然掉電時，系統(tǒng)切換保護波形，切換時間<10ms，表明該UPS電網(wǎng)失電檢測速度快，切換時間短；交流電網(wǎng)欠壓 <190V時，UPS輸出由電網(wǎng)轉換為逆變器對負載供電的波形，切換過程中電壓波形波動小。逆變器輸出電壓失真度小，切換時間<10ms， UPS突加負載時輸出電壓動態(tài)響應波形，可見輸出電壓波動小，恢復時間<40ms ，動態(tài)響應速度快，滿足了穩(wěn)定、動態(tài)性能要求。

系統(tǒng)的基本參數(shù)

結束語

在線式UPS不間斷電源控制系統(tǒng)以TMS320F28335作為主控芯片較以往傳統(tǒng)的模擬系統(tǒng)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，完全體現(xiàn)了數(shù)字控制的優(yōu)勢。從試驗結果看，完全滿足系統(tǒng)要求。最終可向用戶提供可靠、準確、穩(wěn)定的電源電壓，實現(xiàn)了在線式UPS 的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡化，具有較好的市場應用前景。 （發(fā)布者：chiying）