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(jì)算機(jī)的普及和信息處理技術(shù)的廣泛應(yīng)用，不間斷電源UPS在關(guān)鍵負(fù)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?；虍惓?shí)用電源條件下的負(fù)載提供清潔、持續(xù)的電源。德州儀器(TI)TMS320F28335 DSP為在線UPS設(shè)計(jì)提供增強(qiáng)的、經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，可以高速執(zhí)行多種控制算法，從而使實(shí)現(xiàn)高采樣速率成為可能。

本文實(shí)現(xiàn)了基于TMS320F28335的不間斷電源控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)能夠在單芯片中實(shí)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(gè)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(diǎn)。DSP 可編程性意味著可以使用增強(qiáng)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(dòng)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(zhì)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(diào)節(jié)電路、RS232通訊接口、報(bào)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(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(yùn)算，可滿足應(yīng)用于更快代碼開發(fā)與集成高級(jí)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、簡化軟件開發(fā)、兼容定點(diǎn)C28xTM控制器軟件的特點(diǎn)。該系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖１ 系統(tǒng)總體框圖

當(dāng)市電正常時(shí)，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(dāng)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(jí)電路的運(yùn)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(fù)載供電。這種情況一直維持到UPS執(zhí)行開機(jī)“自診斷”檢測操作后，通過微處理器的調(diào)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(nèi)置蓄電池組進(jìn)行充電。

(III)市電電源經(jīng)由保險(xiǎn)絲后，再經(jīng)帶輸入功率因數(shù)調(diào)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(nèi)經(jīng)正弦脈寬調(diào)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(zhì)量的純正正弦電源，最后通過輸出濾波器送到負(fù)載。

(IV)當(dāng)市電供電異常時(shí)，電池的電壓通過DC/DC變換器變成幅值高達(dá)±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(fù)載。

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本方案是利用TMS320F28335微控制器來設(shè)計(jì)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(hù)電路模塊，輔助電源監(jiān)測電路模塊，開、關(guān)機(jī)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(kuò)存儲(chǔ)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fù)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(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(hào)的幅值總是與輸入到檢波器的正弦波信號(hào)的幅值保持著嚴(yán)格的線性關(guān)系，用以消除一般二極管檢波器在小信號(hào)輸入時(shí)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(hù)電路模塊

電流峰值保護(hù)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(hào)通過信號(hào)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(hù)電路。當(dāng)負(fù)載過載或短路時(shí)，PWM_OFF變?yōu)榈碗娖叫盘?hào)，就會(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(tǒng)切換到旁路工作模式，起到迅速保護(hù)作用。

圖4 電流峰值保護(hù)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(yùn)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(yùn)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(hù)作用。

圖5 輔助電源監(jiān)測電路模塊

開、關(guān)機(jī)電路模塊

系統(tǒng)的開、關(guān)機(jī)電路如圖6所示。當(dāng)按下開機(jī)按鍵時(shí)，經(jīng)分壓后的電池正極電源經(jīng)開機(jī)按鍵、限流電阻、二極管送到功率板上的開機(jī)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(dāng)DSP啟動(dòng)后，就掃描GPIO78引腳，查看是否真正開機(jī)。如果確認(rèn)是開機(jī)鍵被按下，那么就進(jìn)行“自檢”。當(dāng)按下“關(guān)機(jī)”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(jī)操作。

圖6 開、關(guān)機(jī)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(zhuǎn)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(hào)是來自DSP的EPWM1A的引腳,該信號(hào)是PWM信號(hào)，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(hào)EPWM2A經(jīng)過二階低通濾波后，產(chǎn)生正弦參考波信號(hào)，該信號(hào)與逆變輸出的電壓反饋信號(hào)反相。EPWM2A引腳所輸出的PWM信號(hào)是跟蹤市電輸入的，該電路具有對輸出的正弦波信號(hào)進(jìn)行調(diào)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(diào)制（SPWM）法來實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制的目的。根據(jù)調(diào)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(yīng)的時(shí)間間隔的正脈沖。圖中PWM_OFF信號(hào)用于控制PWM的輸出，當(dāng)該信號(hào)為低電平時(shí)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(shí)現(xiàn)對繼電器的驅(qū)動(dòng)，其控制信號(hào)來自TMS32028335的GPIO64引腳。當(dāng)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(qū)動(dòng)電路。

外擴(kuò)存儲(chǔ)器模塊

外擴(kuò)的存儲(chǔ)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(fù)載量、市電電壓、工作時(shí)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(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的多功能性。外擴(kuò)存儲(chǔ)器具有512K*8Bits FLASH和4K*8bits SRAM存儲(chǔ)空間，DSP與外擴(kuò)存儲(chǔ)器通過通信協(xié)議進(jìn)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(dāng)來自TMS32028335的GPIO63引腳輸出高電平時(shí)，系統(tǒng)峰鳴。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)程序流程如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)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

主要完成線電流采樣和線電壓采樣。為確保電壓與電流信號(hào)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(jié)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(fù)位排序器

AdcRegs.ADCST.bit.INT_SEQ1_CLR = 1; // 清中斷標(biāo)志位

PieCtrlRegs.PIEACK.all = PIEACK_GROUP1; // 開中斷應(yīng)答

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)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(jié)果可知逆變器系統(tǒng)基本可以實(shí)現(xiàn)無靜差跟蹤。電網(wǎng)突然掉電時(shí)，系統(tǒng)切換保護(hù)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(zhuǎn)換為逆變器對負(fù)載供電的波形，切換過程中電壓波形波動(dòng)小。逆變器輸出電壓失真度小，切換時(shí)間<10ms， UPS突加負(fù)載時(shí)輸出電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形，可見輸出電壓波動(dòng)小，恢復(fù)時(shí)間<40ms ，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，滿足了穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)性能要求。

系統(tǒng)的基本參數(shù)

結(jié)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(jié)構(gòu)緊湊、可靠性好、精度高、調(diào)試方便，以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，完全體現(xiàn)了數(shù)字控制的優(yōu)勢。從試驗(yàn)結(jié)果看，完全滿足系統(tǒng)要求。最終可向用戶提供可靠、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的電源電壓，實(shí)現(xiàn)了在線式UPS 的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化，具有較好的市場應(yīng)用前景。 （發(fā)布者：chiying）