基于DSP在线式UPS不间断电源控制系统的研究

1万 · 2014-5-12 23:26

　引言

　　随着计算机的普及和信息处理技术的广泛应用，不间断电源UPS在关键负载连接至公共电网方面扮演着重要角色。它们旨在为处于任何正常或异常实用电源条件下的负载提供清洁、持续的电源。德州仪器(TI)TMS320F28335DSP为在线UPS设计提供增强的、经济高效的解决方案，可以高速执行多种控制算法，从而使实现高采样速率成为可能。

　　本文实现了基于TMS320F28335的不间断电源控制系统的设计，该系统能够在单芯片中实现在线UPS的多控制环路，从而提高集成度并降低系统成本。数字控制还为每个控制器带来可编程性、抗噪声干扰和避免冗余电压及电流传感器的使用等优点。DSP 可编程性意味着可以使用增强的算法更新系统以提高可靠性。

　　系统介绍

　　UPS主要按工作方式来分类，它分为后备式、在线互动式、在线式三大类。在线式UPS输出多为正弦波，且电压及频率稳定，所以它多被用在供电质量要求很高的场所。本文所介绍的UPS供电系统是属于在线式的，主要由输入滤波器、充电器、DC/DC变换器、微控制器、逆变电路、输入功率因素调节电路、RS232通讯接口、报警电路等部分组成。

　　UPS系统的控制器采用TI公司推出的业界首款浮点TMS320F28335 DSP，它具有150MHz高速处理能力，具备32位浮点处理单元，单指令周期32位累加运算，可满足应用于更快代码开发与集成高级控制器的浮点处理器性能的要求。与前代领先的DSP相比，最新的F2833x浮点控制器不仅可将性能平均提升50%，还具有精度更高、简化软件开发、兼容定点C28xTM控制器软件的特点。该系统总体框图如图1所示。

图１系统总体框图

1万 · 2014-5-12 23:26

　当市电正常时，在线式UPS输入220V交流电压，经过EMI/RFI滤波后，被送到继电器RY2。当市电电源的电压正常时，RY1继电器处于闭合状态。在此条件下，市电电源将分以下几路去控制后级电路的运行：

　　(I)市电直接经交流旁路被送到常闭触点继电器RY2，然后向负载供电。这种情况一直维持到UPS执行开机“自诊断”检测操作后，通过微处理器的调控将UPS从市电供电状态切换到逆变器供电状态为止。

　　(II)经充电器对UPS的内置蓄电池组进行充电。

　　(III)市电电源经由保险丝后，再经带输入功率因数调节功能的整流滤波器，变成两路直流电源。该直流高压电源在逆变器内经正弦脉宽调制功率放大和高频滤波后，变成一路幅值稳定，频率和相位同步跟踪市电电网频率和相位的高质量的纯正正弦电源，最后通过输出滤波器送到负载。

　　(IV)当市电供电异常时，电池的电压通过DC/DC变换器变成幅值高达±390V的直流高压电源，然后再经过逆变器，变换成交流正弦波供给负载。

1万 · 2014-5-12 23:26

　系统的硬件设计

　　本方案是利用TMS320F28335微控制器来设计UPS控制板的系统的电路。该系统是由母线电压检测电路模块，幅值检测电路模块，电流峰值保护电路模块，辅助电源监测电路模块，开、关机电路模块，电压检测电路模块，PWM产生电路模块，继电器控制电路模块，外扩存储器模块以及峰鸣产生电路模块等组成。

　　母线电压检测模块

　　母线电压检测电路模块如图2所示。分压后的＋BUS电压经RC滤波后送往DSP的AD转换引脚ADCINA2。分压后的－BUS电压经反相器后，再经RC滤波器送往DSP的AD转换引脚ADCINA3。

　　图2 母线电压检测电路模块

1万 · 2014-5-12 23:26

　幅值检测电路模块

　　幅值检测电路如图3所示，它用于逆变器输出电压、市电输入电压、负载电流幅值检测。该电路采用正值单向有源精密检波器实现的，采用有源精密检波器的目的是确保从该检波器输出端得到的单极性信号的幅值总是与输入到检波器的正弦波信号的幅值保持着严格的线性关系，用以消除一般二极管检波器在小信号输入时可能产生的非线性失真。

图3 幅值检测电路模块

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电流峰值保护电路模块

　　电流峰值保护电路如图4所示，功率板上的UPS输出电源通过电流互感器后，以电压形式表现电流大小的信号通过信号放大器后分三路走。一路经过幅值检测电路，送往DSP的ADCINA0引脚；一路经过电流过零检测电路后，送往DSP的GPIO75引脚；另一路经过过载、短路保护电路。当负载过载或短路时，PWM_OFF变为低电平信号，就会立即关断逆变器所需的两路PWM波输出，同时DSP将系统切换到旁路工作模式，起到迅速保护作用。

图4 电流峰值保护模块

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辅助电源监测电路模块

　　辅助电源监测电路如图5所示，正常情况下，运放的输出经上拉电阻箝位为5V，若12V电源因某种原因低于10V或5V电源因某种原因高于5V，则运放的输出会变为低电平，那么由于二极管D的作用，PWM_OFF将会被拉到低电平，这样就会关断PWM输出，起到保护作用。

图5 辅助电源监测电路模块

1万 · 2014-5-12 23:27

　开、关机电路模块

　　系统的开、关机电路如图6所示。当按下开机按键时，经分压后的电池正极电源经开机按键、限流电阻、二极管送到功率板上的开机电路，然后功率板产生12V、5V直流辅助电源，给控制板供电。当DSP启动后，就扫描GPIO78引脚，查看是否真正开机。如果确认是开机键被按下，那么就进行“自检”。当按下“关机”键时，GPIO77为高电平，DSP扫描到该引脚为高电平的时候，就进行关机操作。

图6 开、关机电路模块

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　电压检测电路模块

　　电池电压检测电路模块如图7所示。电池组电压经分压后，送往DSP的AD转换引脚ADCINA4。　　

图7 电压检测电路模块

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　　PWM产生电路模块

　　三角波产生电路的输入信号是来自DSP的EPWM1A的引脚,该信号是PWM信号，它经过积分后，变为三角波，送入PWM产生电路。来自TMS320F28335的PWM信号EPWM2A经过二阶低通滤波后，产生正弦参考波信号，该信号与逆变输出的电压反馈信号反相。EPWM2A引脚所输出的PWM信号是跟踪市电输入的，该电路具有对输出的正弦波信号进行调控作用。如图8所示是三角波和正弦波的产生电路。

图8 三角波和正弦波的产生电路

1万 · 2014-5-12 23:28

　PWM产生电路模块如图9所示，它采用正弦脉宽调制（SPWM）法来实现脉宽调制的目的。根据调制原理可以在比较器的输出端得到一个脉宽等于三角波大于正弦波部份所对应的时间间隔的正脉冲。图中PWM_OFF信号用于控制PWM的输出，当该信号为低电平时无PWM输出。

图9 PWM产生电路模块

1万 · 2014-5-12 23:28

　继电器控制电路模块

　　继电器控制电路模块，是用NPN三极管来实现对继电器的驱动，其控制信号来自TMS32028335的GPIO64引脚。当GPIO64输出高电平时，继电器RY1动作。同样，继电器RY2也使用该驱动电路。

　　外扩存储器模块

　　外扩的存储器电路，该电路主要用于记录系统的工作状况，比如每天系统的负载量、市电电压、工作时间等。所记录的数据通过RSR232通信接口供给PC端软件分析，实现人机界面的多功能性。外扩存储器具有512K*8Bits FLASH和4K*8bits SRAM存储空间，DSP与外扩存储器通过通信协议进行数据传输。

　　峰鸣产生电路模块

　　峰鸣产生电路模块，当来自TMS32028335的GPIO63引脚输出高电平时，系统峰鸣。

1万 · 2014-5-12 23:28

　系统的软件设计

　　整个系统程序流程如图10所示。

图10 系统程序流程图

1万 · 2014-5-12 23:28

定时器周期中断流程图如图11。

图11 定时器周期中断流程图

1万 · 2014-5-12 23:28

　A/D采样子程序

　　主要完成线电流采样和线电压采样。为确保电压与电流信号间没有相对相移，本部分利用TMS320F28335片上ADC的同步采样方式。为提高采样精度，在A/D中断子程序中采用了均值滤波的方法。

　　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)

　　{ // 对结果取平均，平滑滤波

　　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; // 复位排序器

　　AdcRegs.ADCST.bit.INT_SEQ1_CLR = 1; // 清中断标志位

　　PieCtrlRegs.PIEACK.all = PIEACK_GROUP1; // 开中断应答

1万 · 2014-5-12 23:29

　实验结果

　　在实验过程中，利用示波器检测稳定状态下逆变器输出电压跟踪交流电网电压的波形，由结果可知逆变器系统基本可以实现无静差跟踪。电网突然掉电时，系统切换保护波形，切换时间<10ms，表明该UPS电网失电检测速度快，切换时间短；交流电网欠压 <190V时，UPS输出由电网转换为逆变器对负载供电的波形，切换过程中电压波形波动小。逆变器输出电压失真度小，切换时间<10ms， UPS突加负载时输出电压动态响应波形，可见输出电压波动小，恢复时间<40ms ，动态响应速度快，满足了稳定、动态性能要求。

　　系统的基本参数

1万 · 2014-5-12 23:29

结束语

　　在线式UPS不间断电源控制系统以TMS320F28335作为主控芯片较以往传统的模拟系统具有结构紧凑、可靠性好、精度高、调试方便，以及成本低等优点，完全体现了数字控制的优势。从试验结果看，完全满足系统要求。最终可向用户提供可靠、准确、稳定的电源电压，实现了在线式UPS 的数字化、智能化和网络化，具有较好的市场应用前景。

基于DSP在线式UPS不间断电源控制系统的研究

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