基于μC/OSⅡ的分布式應(yīng)急電源控制系統(tǒng)設(shè)計

時間：2008-06-04 02:55:00

關(guān)鍵字：分布式應(yīng)急電源控制系統(tǒng)設(shè)計電源控制系統(tǒng)

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[導(dǎo)讀]針對傳統(tǒng)應(yīng)急電源控制系統(tǒng)的局限性，結(jié)合DSP的資源優(yōu)勢以及源代碼公開的μC/OSII實時操作系統(tǒng)內(nèi)核的強健性，設(shè)計了基于DSP+μC/OS-Ⅱ的應(yīng)急電源控制系統(tǒng)。來進一步滿足應(yīng)急電源高性能、高可靠性的要求。

摘要：針對傳統(tǒng)應(yīng)急電源控制系統(tǒng)的局限性，結(jié)合DSP的資源優(yōu)勢以及源代碼公開的μC/OSII實時操作系統(tǒng)內(nèi)核的強健性，設(shè)計了基于DSP+μC/OS-Ⅱ的應(yīng)急電源控制系統(tǒng)。來進一步滿足應(yīng)急電源高性能、高可靠性的要求。
關(guān)鍵詞： DSP、μC/OS-Ⅱ、應(yīng)急電源

1 引言

隨著社會的發(fā)展，對供電可靠性的要求越來越高，一旦某些重要設(shè)施供電系統(tǒng)突然發(fā)生故障而中斷供電，將會破壞社會的正常秩序，甚至造成重大的政治影響和經(jīng)濟損失。然而，電力故障突發(fā)性強，斷電情況必須考慮，因此就需要做到電源的不間斷，即供電線路停電時由備用電源供電。應(yīng)急電源又稱EPS（Emergency Power System）具有下述優(yōu)點：（1）電網(wǎng)有電時，處于靜態(tài)，無噪音；供電時，噪音小于60dB。不需排煙和防震處理，具有節(jié)能、無公害、無火災(zāi)隱患的特點；（2）自動切換，可實現(xiàn)無人值守，電網(wǎng)供電與EPS電源供電相互切換時間均為0.1～0.25s；（3）帶載能力強，EPS適應(yīng)于電感性電容性、及綜合性負載的設(shè)備，如電梯、水泵、風(fēng)機辦公自動化設(shè)備、應(yīng)急照明等；（4）使用可靠。主機壽命長達20年以上；（5）適應(yīng)惡劣環(huán)境?？煞胖糜诘叵率一蚺潆娛?，也可緊靠應(yīng)急負荷使用場所就地設(shè)置以減少供電線路。

2 工作原理

圖1 EPS原理圖

（1）當三相市電正常時，EPS一路直接為負載供電，一路經(jīng)過充電機給蓄電池組充電；

（2）當三相市電異常時，EPS的檢測裝置立即發(fā)出指令，0.1秒內(nèi)由蓄電池組的直流電經(jīng)過逆變裝置輸出三相交流電源給負載供電，供電時間為90分鐘；

（3）EPS供電過程中，如三相市電恢復(fù)正常，EPS的檢測裝置立即發(fā)出指令，0.1秒內(nèi)恢復(fù)到（1）的工作狀態(tài)；

（4）EPS提供遠程強制啟動干接點（DC24V），如檢測到DC24V電源輸入，EPS會強制切換至應(yīng)急輸出，自動切換不起作用；無電時，EPS工作在自動切換狀態(tài)。

3 DSP硬件設(shè)計

本系統(tǒng)采用TI公司的TMS320F240型DSP器件作為主要控制芯片，該DSP芯片指令執(zhí)行速度快，內(nèi)嵌Flash ROM和RAM，內(nèi)部的事務(wù)管理模塊可以輸出多路PWM波，同時內(nèi)含8路10位A/D通道及大量I/O端口，因此由它來構(gòu)建數(shù)字控制系統(tǒng)時，硬件電路大大簡化。

以DSP芯片TMS320LF2407為核心的硬件電路設(shè)計主要包括：

（1）應(yīng)急電源對電壓的采樣是通過差分電路實現(xiàn)的。圖2示出電壓采樣的差分電路。對電流的采樣是通過霍爾電流傳感器經(jīng)過濾波、電平調(diào)整后實現(xiàn)的。本設(shè)計中，交流量需計算其有效值，是通過對瞬時采樣值的整流、濾波實現(xiàn)的。[2]

圖2 電壓采樣的差分電路

（2）DSP對充電控制采用EVA模塊的定時器1的PWM比較輸出，對逆變控制采用EVA模塊的比較單元1和比較單元2的比較輸出。通過專用驅(qū)動模塊2SD315A為核心元件的驅(qū)動電

路來驅(qū)動IGBT。2SD315A驅(qū)動模塊具有結(jié)構(gòu)緊湊，使用簡單，可靠，隔離電壓高等優(yōu)點。用兩個2SD315A模塊來驅(qū)動主電路的H橋，只需外加很少的外部元件。在連接驅(qū)動電路與IGBT時，要注意連線不能太長，最好是小于10cm，否則會使IGBT的驅(qū)動信號受到較大干擾，造成IGBT的誤觸發(fā)。此外，要根據(jù)IGBT的特性參數(shù)，選擇合適的集射極保護電壓及門極驅(qū)動電阻。

（3）DSP通過通用I/O口采集和輸出各種信號。消防、開機、強迫逆變、停止、備用等輸入信號，通過光電隔離電路送至I/O口。繼電器、接觸器的控制信號由I/O口經(jīng)輔助繼電器輸出。

（4）該應(yīng)急電源對電池過壓欠壓、

逆變器過壓、逆變器過流、IGBT故障等嚴重故障，專門設(shè)計了硬件鎖死電路，系統(tǒng)上電時，其被清零，故障到來時，將其置位，同時封鎖PWM輸出，引發(fā)故障中斷，在故障中斷程序中檢測故障類型。對一般故障則采用查詢方式。

（5）DSP將采樣電路采集的ic，UH，ib，ub等參數(shù)以及監(jiān)測到的故障類型、系統(tǒng)的工作狀態(tài)通過CAN總線輸出至上位監(jiān)控系統(tǒng)。

4 軟件設(shè)計

μC/OS-II是一個實時操作系統(tǒng)的內(nèi)核，它的大部分源代碼都是使用ANSI C寫的，有很強的移植性。它的內(nèi)核功能豐富，具有可裁減性，用戶可根據(jù)自身需要來配置編譯條件，將實時內(nèi)核裁剪到滿足自己功能的最小狀態(tài)。

在本系統(tǒng)中，有針對的編寫了uC/OS- II移植程序及硬件電路的驅(qū)動程序。應(yīng)用程序從函數(shù)main()開始，main()內(nèi)容如下：

void main(void){

SysInit ()；/*系統(tǒng)初始化*/

OSInit()；/*初始化u C/OS- II */

OSTaskCreate(TaskStart, (

void*)0, (void*)&TaskStk[0][0]，5)；/*建立起始任務(wù)*/

OSStart()；/*開始多任務(wù)調(diào)度*/

}

其中，SysInit()對系統(tǒng)的初始化工作主要包括：建立相關(guān)參數(shù)和變量，設(shè)置各種中斷，以及對各器件進行初始化，OSInit()用于對uC/Os- II操作系統(tǒng)進行初始化。起始任務(wù)TaskStart ()是一個建立其它任務(wù)的任務(wù)。接著，建立郵箱用于任務(wù)間的通信，再接下來，用OSTaskCreate()函數(shù)建立不同功能的任務(wù)：SCI通信任務(wù)SCIComm_Task()、LCD液晶屏刷新任務(wù)LCD_Fresh_Task()、脈寬計算任務(wù)PW_Calculate_Task()、逆變器輸出電壓采集任務(wù)Vo_Sample_Task()、鍵盤掃描任務(wù)Key_Scan_Task()、時鐘更新任務(wù)Time_Fresh_Task()、市電電壓采集以及監(jiān)測任務(wù)Vi_Sample_Task()。任務(wù)優(yōu)先級的確定原則是工作頻率越高，任務(wù)的優(yōu)先級越高。任務(wù)之間的通信是通過發(fā)送或接受消息、信號或數(shù)據(jù)隊列來實現(xiàn)的。

另外，uC/OS- II在F2407上的移植和配置的方法如下：

(1)在OS_ CPU.H中定義相關(guān)的宏，聲明能夠識別的數(shù)據(jù)類型和堆棧增長方向。OS_ CPU C.C中定義以下6個函數(shù)：OSTaskStklnit ( ) 、OSTaskCreateHook()、OSTaskSwHOok()、OST&W_lefook()、OSTaskStatHook()、OST3meT5ckHook()。實際上真正需要定義的只有OSTaskStklnit()，其余5個只需聲明，不一定要有實際內(nèi)容，這5個函數(shù)都是需要由用戶定義的接口函數(shù)。

(2)在OS_CPU_A.ASM中修改以下幾個匯編函數(shù)：OSStartHighRdy、OSCtxSw, OS1ntCtxSw,、OSTickISR。OSStarthighRdy的功能是運行優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)，該函數(shù)由OSStartp函數(shù)調(diào)用，OSStart()的調(diào)用是建立在OSInit()的調(diào)用并且至少已經(jīng)建立一個任務(wù)的墓礎(chǔ)上的；OSCtxSw是一個任務(wù)級的任務(wù)切換函數(shù)，該函數(shù)在任務(wù)中調(diào)用；OSIntCtxSw是一個中斷級的任務(wù)切換函數(shù)；OSCtxSw為時鐘中斷服務(wù)函數(shù)，時鐘中斷程序負責(zé)處理所有與定時相關(guān)的工作，如任務(wù)的延時、等待等，在時鐘中斷中將查詢處于等待狀態(tài)的任務(wù)，判斷是否延時結(jié)束，則將重新進行任務(wù)調(diào)度。

(3)在主頭文件INCLUDES.H中增加OS_CPU.H , OS_CPU_C.C和OS_ CPU_A.ASM。因為INCLUDES.H是主頭文件，它將被所有后級名為.C的文件所包含。在移植時，需要對該文件進行改寫，在文件末尾增加以下頭文件：

#include

(4)在配置文件OS_CFG.H中，定義最大事件數(shù)，最多內(nèi)存分塊數(shù)，最多消息隊列數(shù)，最多任務(wù)數(shù)，最低任務(wù)優(yōu)先級，是否允許信號使能，是否允許郵箱使能，是否允許消息隊列使能，時鐘節(jié)拍數(shù)以及其他的一些配置。通過修改這些設(shè)置，可對uC/OS- II進行裁剪，使之適應(yīng)本系統(tǒng)的具體需要。

系統(tǒng)采用中斷方式接收上位機的指令，采用查詢方式發(fā)送。當上位機發(fā)出讀數(shù)、啟動或停止操作命令后，嵌入式系統(tǒng)將產(chǎn)生中斷，并發(fā)送應(yīng)答信號，然后根據(jù)收到的命令類型進行相應(yīng)操作。

5 功率變換算法

本系統(tǒng)脈沖寬度計算采用規(guī)則采樣法，計算公式如式（1）：

(1)

其中Usm為正弦波的幅值，Utm為三角波的幅值，N為載波比。[1]

交變電源的高次諧波幅值為：

(2)

由(2)式可以看出N越大，高次諧波幅值越小。基于IGBT的器件特性，N不能無限大，取N=400, 則高次諧波幅值Um(n)很容易被濾波器濾去?？紤]到處于開關(guān)工作狀態(tài)中的IGBT管從開通轉(zhuǎn)為截止狀態(tài)時，容易產(chǎn)生較長的“拖尾”現(xiàn)象，并進而導(dǎo)致IGBT因瞬時功耗偏大而影響EPS逆變器的可靠性，因此，在用公式(1)計算方波的脈寬時，，在系統(tǒng)中加入了反饋環(huán)節(jié)，把實際輸出的電壓經(jīng)采樣送回控制器，用PI調(diào)節(jié)消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

6 結(jié)論

本文結(jié)合TMS320LF2407芯片和μC/OS-II實時操作系統(tǒng)內(nèi)核的優(yōu)點，設(shè)計出基于DSP和μC/OS-II的應(yīng)急電源控制系統(tǒng)。通過在DSP

上移植μC/OS-II，系統(tǒng)設(shè)計的周期得以減少，軟件的可讀性得以提高，從而節(jié)省了系統(tǒng)開發(fā)和維護的費用。目前，該系統(tǒng)工程樣機運行平穩(wěn)可靠。

參考文獻

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2 劉和平. TMS320LF240X DSP結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2002

3 易釗.基于嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的污水處理控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn).湖南大學(xué)碩士論文,2004.