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在線式UPS電源的數(shù)字化控制技術(shù)

侯玉芬

（國家新聞出版廣電總局無線電臺管理局五六四臺,102434）

摘要：在UPS電源得到廣泛應(yīng)用的情況下，有關(guān)在線式UPS電源的研究也逐漸得到了深入。就目前來看，想要較好的進行UPS電源性能的發(fā)揮，就要對UPS的逆變器的輸出波形進行控制。而在這方面，模擬數(shù)字化控制技術(shù)得到了很好的應(yīng)用。所以，針對這種情況，本文基于DSP對在線式UPS電源的數(shù)字化控制技術(shù)進行了研究，并具體對在線式UPS電源的數(shù)字化控制系統(tǒng)進行了設(shè)計。而從本文的研究來看，基于DSP的在線式UPS電源數(shù)字控制系統(tǒng)取得了一定的控制效果。

關(guān)鍵詞：在線式UPS電源；數(shù)字化控制技術(shù)；DSP

0　引言

在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)不斷發(fā)展的情況下，一旦出現(xiàn)了供電中斷事故，就會造成嚴重的損失。所以，在這種情況下，人們對于UPS電源的需求會逐漸擴大。而想要保證在線式UPS電源進行高質(zhì)量的電壓波形的輸出，就要做好電源核心部分的逆變器的控制。就目前來看，數(shù)字化控制技術(shù)可以很好的進行在線式UPS電源效果的控制。因此，相關(guān)單位和人員有必要對在線式UPS電源的數(shù)字化控制技術(shù)進行研究，從而更好的進行數(shù)字化控制技術(shù)的應(yīng)用。

1　在線式UPS電源概述

從在線式UPS電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)角度來看，系統(tǒng)需要利用濾波器進行市電電源的傳輸，從而進行電網(wǎng)電磁干擾和射頻干擾的衰減和抑制。而在此基礎(chǔ)之上，則要分四路進行后續(xù)電路的運行控制。首先，來自市電電源的電流要經(jīng)過交流旁路的供電通道，從而到達轉(zhuǎn)換繼電器的常閉觸點的位置上。其次，電流需要通過充電器，從而對系統(tǒng)的電池組進行充電操作。而在這種情況下，系統(tǒng)的外來供電即使中斷，也可以有足夠的電量來進行電源正常工作的維持。再者，電流需達到整流濾波器的輸入端，而該整流濾波器則具有校正輸入功率因素的控制特性。最后，系統(tǒng)會將市電同步跟蹤信號送至UPS鎖相同步電路中。而為了保證UPS電源的運行能夠更加安全和穩(wěn)定，則要保證逆變器的電源與市電電源保持相同的頻率、相同的相位和相同的電壓幅度。就目前來看，在線式UPS一般采用的都是橋式逆變電路，既屬于電壓型逆變電源。而典型的單相UPS的PWM逆變電路則主要由單向便橋式逆變器、L-C濾波器和負載組成。按照輸出電壓的極性來劃分，則可以將系統(tǒng)電壓極性分為單極性SPWM和雙極性SPWM。

2　在線式UPS電源的數(shù)字化控制技術(shù)研究

2.1在線式UPS電源的數(shù)字化控制問題

在進行在線式UPS電源的數(shù)字化控制時，可以利用DSP進行逆變器的數(shù)字控制，從而進行數(shù)字PWM的發(fā)生問題的解決。一般的情況下，模擬PWM是通過進行三角波和控制信號的比較而產(chǎn)生的，而數(shù)字PWM則是通過定時器和數(shù)字比較器來實現(xiàn)的。在數(shù)字PWM產(chǎn)生的過程中，定時器需要用來產(chǎn)生鋸齒波和三角波，而輸出信號的高低電平則由數(shù)字比較器來決定。從根本上來講，兩種PWM的產(chǎn)生原理基本一致，而數(shù)字PWM則有其獨有的特點。

在進行在線式UPS電源的數(shù)字化控制問題的研究時，可以采用DSP芯片進行對稱和非對稱的數(shù)字PWM發(fā)生模塊的集成，而本系統(tǒng)采用的為對稱PWM。從原理上來看，在定時器從0遞增到周期值為T1PR的計數(shù)時，高有效的PWM的輸出口的計數(shù)值將上升至CMPRX這一比較值，從而進行高電平的輸出。而在定時器從周期值為T1PR的計數(shù)遞減到0時，高有效的PWM的輸出口的計數(shù)值將降低至CMPRX這一比較值，從而進行低電平的輸出。而為了避免逆變橋的同一組橋臂出現(xiàn)上下管共通的問題，則要進行兩路互補PWM信號的死區(qū)的設(shè)置。而該死區(qū)的設(shè)置既可以由模擬電路實現(xiàn)，也可以通過DSP內(nèi)部的死區(qū)發(fā)生模塊來進行設(shè)定。此外，在進行計數(shù)頻率為f0=40MHz的逆變器的使用時，可以利用DSP 的TM320LF2406芯片進行逆變器的開關(guān)頻率控制。而在采用對稱PWM的方式的情況下，系統(tǒng)的分辨率則為1/1250。而在這種情況下，PWM分辨率可以滿足UPS逆變器的控制精度要求。

2.2數(shù)字化控制系統(tǒng)的設(shè)計

在進行在線式UPS電源的數(shù)字化控制系統(tǒng)的設(shè)計時，本文采用了TM320LF2406為核心控制芯片。而該種DSP芯片需要控制的在線式電源則為50Hz、100V的UPS電源。而之所以進行該種芯片的使用，是因為該芯片具有高速進行信號處理和數(shù)字控制的特點，可以進行復(fù)雜的控制算法的實現(xiàn)。所以，利用該芯片，可以通過軟件進行逆變重復(fù)控制算法的實現(xiàn)。

2.2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

在進行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計時，可以利用DSP的TM320LF2406芯片進行在線式UPS電源的四個功率變換環(huán)節(jié)的實現(xiàn)。具體來說，可以實現(xiàn)的變換環(huán)節(jié)包含了輸入PFC環(huán)節(jié)、輸出逆變環(huán)節(jié)、電池充電環(huán)節(jié)和電池升壓環(huán)節(jié)。而從結(jié)構(gòu)整體上來看，這些環(huán)節(jié)彼此之間的關(guān)系是獨立的，所以可以獨立進行這些環(huán)節(jié)的控制。此外，由于DSP進行一條指令的實現(xiàn)僅需要50ns，所以可以利用DSP進行電流環(huán)和電壓環(huán)的實時處理。就實際情況而言，在線式UPS電源的四個功率變換環(huán)節(jié)需要6路信號的反饋。具體來說，這6路反饋則包含了輸入電壓、直流BUS正負電壓、輸出電壓、輸出電流和電池電源。而在進行這些電路信號采集時，則需要利用DSP芯片內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換模塊進行信號的采樣。而DSP內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換模塊則有兩個，而兩個模塊則可以實現(xiàn)并行的轉(zhuǎn)換。其中，ADC0 到ADC7是第一模塊，而ADC8到ADC15是第二模塊。在進行信號采集的過程中，輸入電壓信號采集由ADC1完成，正負BUS電容電壓信號的采集由ADC0和ADC3完成。而輸出電壓、電流信號的采集由ADC14和ADC7來完成，電池電壓信號的采集則由ADC4來完成。

2.2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計

在進行系統(tǒng)軟件的設(shè)計時，想要進行電壓和穩(wěn)壓值的輸出，則需要對DSP中的EVB模塊中的CMPR1中的正弦波幅值來進行修正。而這樣一來，就可以進行開關(guān)管IGBT的占空比的控制，從而進行輸出電壓的控制。而想要對正弦波幅值進行修正，則可以利用嵌入式重復(fù)控制算法和積分、比例控制算法以及復(fù)合控制算法來完成。而這些控制算法的應(yīng)用，不僅可以進行系統(tǒng)重復(fù)控制靜差問題的解決，還可以改進系統(tǒng)響應(yīng)緩慢的問題，從而使在線式UPS電源滿足電源不間斷的要求。具體來講，改進后的重復(fù)控制軟件流程中，CFramHEAD和CFramTAIL分別為重復(fù)控制器的累加存儲單元的頭地址和尾地址的指針。而AR3則為取數(shù)據(jù)地址指針，AR4則為存數(shù)據(jù)地址指針。此外，系統(tǒng)軟件設(shè)計中還包含了數(shù)據(jù)暫存單元。

2.3系統(tǒng)實驗分析

為了更好的進行在線式UPS電源的數(shù)字化控制系統(tǒng)的研究，從而進行數(shù)字化控制技術(shù)的應(yīng)用，還要對系統(tǒng)實驗進行分析。在對系統(tǒng)輸入110V、50Hz的市電電壓的情況下，BUS電壓為170V。而在這這種情況下，系統(tǒng)的輸出濾波電容為4.7uF,輸出濾波電感則為2mH，負載則為0到700W之間的白熾燈。在系統(tǒng)的閉環(huán)控制器中，前饋的控制系數(shù)為1，而重復(fù)增益系數(shù)則為0.25，比例控制系數(shù)也為1.同時，系統(tǒng)的死區(qū)時間為2us，采樣頻率則為8kHz。從實驗的結(jié)果來看，在系統(tǒng)加載量瞬間增大的情況下，系統(tǒng)恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)需要花費較長的時間。而在這一過程中，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差也比較大。所以，為了進行系統(tǒng)響應(yīng)的快速性的調(diào)節(jié)，要在系統(tǒng)中進行比例調(diào)節(jié)器的設(shè)置。而在系統(tǒng)加載量瞬間減小的情況下，系統(tǒng)則可以較快的恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，但是也同樣存在著一定的穩(wěn)態(tài)誤差。

從實驗結(jié)果可以看出，還需要在系統(tǒng)中進行積分調(diào)節(jié)器的加入，從而進行系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差問題的解決。但是值得注意的是，系統(tǒng)的仿真實驗采用的是恒定的BUS電壓，所以系統(tǒng)可以通過改變PFC功率因素進行直流BUS電壓穩(wěn)壓的校正。而在實際進行系統(tǒng)應(yīng)用的過程中，系統(tǒng)的直流母線電壓不可能達到最理想的狀態(tài)。而一旦出現(xiàn)重載的突然施加或減少的情況，就會導(dǎo)致系統(tǒng)母線電壓的下垂，進而造成逆變電源輸出電壓的變化。因此，想要較好進行數(shù)字化控制技術(shù)的應(yīng)用，從而進行在線式UPS電源的控制，還要結(jié)合實際情況進行系統(tǒng)的進一步改進。

3　結(jié)論

總之，在信息技術(shù)的不斷發(fā)展下，逆變電源取得了進一步的發(fā)展，從而為用戶提供更加可靠的服務(wù)。而在非線性負載不斷增加的情況下，只有做好在線式UPS電源性能和結(jié)構(gòu)的控制，才能滿足用戶更高的要求。所以，本文結(jié)合實際情況，利用數(shù)字化控制技術(shù)對在線式UPS的系統(tǒng)設(shè)計問題進行了研究。而從本文的研究來看，基于DSP進行在線式UPS電源的數(shù)字化控制系統(tǒng)的設(shè)計，可以使電源的性能更高的同時，花費較低的控制成本，并進行穩(wěn)定的正弦電壓的輸出。

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Line UPS Power Supply Digital Control Technology

Hou Yufen

(The State Press and publication Radio Administration Bureau of SARFT,102434)

Abstract：In the case of UPS has been widely applied,research on-line UPS power supply has been gradually deepened.For now,we want a good performance and realization UPS power supply,it is necessary for the UPS output waveform of the inverter control.In this regard,analog and digital control technology has been very good application.So,for this situation,the paper-based on-line UPS power DSP digital control technology research,and specifically for on-line UPS power supply digital control system is designed.From this study,the on-line UPS power supply DSP digital control system has achieved some control.

Keywords：on-line UPS power supply;digital control technology;DSP