雷新穎，王成，蘇力

（西安航空學(xué)院電子工程學(xué)院，陜西西安710077）

為了使UPS能夠滿足不同情況的應(yīng)用，對其進(jìn)行老化或性能測試的實(shí)驗(yàn)中需要使用不同性質(zhì)的負(fù)載。電子負(fù)載是可以設(shè)置阻性、容性和感性等不同狀態(tài)的負(fù)載，對此項(xiàng)工作帶來很大的方便。普通電子負(fù)載所耗費(fèi)的能量以熱能的形式散失，當(dāng)對UPS長時(shí)間老化時(shí)，浪費(fèi)的能量巨大。能量反饋型電子負(fù)載可以在作不同性質(zhì)負(fù)載得同時(shí)，將從UPS所獲得的電能反饋回電網(wǎng)，從而節(jié)約大量能源[1]。

能量反饋型電子負(fù)載控制系統(tǒng)比較龐大，一般采用計(jì)算能力強(qiáng)大的DSP進(jìn)行控制。但DSP系統(tǒng)價(jià)格較高，與單片機(jī)相比且容易受到干擾。普通的8位或16位單片機(jī)計(jì)算能力弱，工作速度慢，不能用來控制能量反饋型電子負(fù)載。STM32單片機(jī)是一種工作速度快，功能強(qiáng)大的32位單片機(jī)，現(xiàn)在應(yīng)用越來越廣。文中采用STM32為控制器[3,7]，使用滯環(huán)控制法[4,8]和數(shù)字PID算法[2]對系統(tǒng)進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)能量反饋型電子負(fù)載。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

能量反饋型電子負(fù)載包括主電路和控制電路。主電路采用AC/DC/AC變換結(jié)構(gòu)，包括前后兩級，前級是整流級，后級是逆變級[1]。整流級直接作為UPS的負(fù)載，從UPS獲得電能，將電能存儲在整流級和逆變級之間的大電容上。逆變級負(fù)責(zé)將電容上的電能反饋進(jìn)電網(wǎng)?？刂齐娐芬許TM32單片機(jī)為核心，對前后兩級進(jìn)行控制?？刂齐娐返闹饕δ苡?個(gè)：第一，通過控制流入整流級的電流，可以實(shí)現(xiàn)阻性、容性和感性等不同狀態(tài)的負(fù)載。第二，逆變級輸出的電流要與電網(wǎng)電壓同頻同相，保證功率因數(shù)為1。第三，通過自動調(diào)節(jié)反饋電流的大小，保證中間大電容上的電壓穩(wěn)定。

圖1 系統(tǒng)框圖

把整流級作為一個(gè)控制對象，流入整流級的電流是被控制量。從控制角度來看，電子負(fù)載運(yùn)行在阻性狀態(tài)時(shí)，設(shè)置的流入整流級電流與整流級輸入端的電壓頻率和相位相同；電子負(fù)載運(yùn)行在容性狀態(tài)時(shí)，設(shè)置的流入整流級電流與整流級輸入端的電壓頻率相同，相位超前90°；電子負(fù)載運(yùn)行在感性狀態(tài)時(shí)，設(shè)置的流入整流級電流與整流級輸入端的電壓頻率相同，相位滯后90°?？刂扑悸肪褪鞘箤?shí)際流入整流級的電流時(shí)刻跟隨設(shè)置的流入整流級電流。采用的具體控制方法是滯環(huán)控制方法。

逆變級的控制如同整流級，把逆變級也作為一個(gè)控制對象，逆變級輸出電流是被控制量。從控制角度來看，逆變時(shí)，設(shè)置的逆變級輸出電流與逆變級輸入端的電壓同頻同相。

工作時(shí)，中間大電容上電壓太低，流入整流級的電流和逆變級輸出的電流波形將出現(xiàn)畸變。電壓太高將損壞器件，危害系統(tǒng)安全。所以必須對大電容上的電壓進(jìn)行控制，使其穩(wěn)定。整流級輸出的電流一部分流入中間大電容上，一部分流入逆變級。電容上的電壓既受到整流級影響，又受到逆變級影響。整流級的工作狀態(tài)是根據(jù)使用要求設(shè)置好的，不能改變。電容上的電壓的調(diào)節(jié)通過逆變級進(jìn)行調(diào)節(jié)。電容上的電壓升高時(shí)，增大逆變電流降低它；反之電容上的電壓降低時(shí)，減小逆變電流升高它。

對整個(gè)系統(tǒng)，兩級之間的大電容是被控對象，大電容上電壓是被控量，逆變級可以看成執(zhí)行機(jī)構(gòu)，那么逆變級輸出電流的控制閉環(huán)和大電容上電壓的控制閉環(huán)組成了雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。逆變級輸出電流的控制閉環(huán)是內(nèi)環(huán)，大電容上電壓的控制閉環(huán)是外環(huán)，如圖2所示。內(nèi)環(huán)采用滯環(huán)控制算法，外環(huán)采用常用的PID算法進(jìn)行控制。整流系統(tǒng)可以看為干擾環(huán)節(jié)，整流級采用滯環(huán)算法單獨(dú)控制。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

整流級和逆變級的主電路基本相似，都由單相H橋、交流側(cè)大電感、直流側(cè)大電容組成，如圖3所示。整流級的交流側(cè)是主電路的輸入端，接被測設(shè)備輸出端，如UPS輸出端。逆變級的交流側(cè)是主電路的輸出端，接電網(wǎng)。直流側(cè)的大電容共用，大電容起存儲電能的作用。單相H橋的4個(gè)橋臂各由一個(gè)IGBT和一個(gè)與其反向并聯(lián)的二極管組成。當(dāng)某一橋臂IGBT導(dǎo)通時(shí)，電流可以流過該IGBT，而反向的電流可以隨時(shí)流過該橋臂的二極管。IGBT選用FGA25N120型號?？刂齐娐分苯涌刂频氖?個(gè)橋臂IGBT的通斷，通過控制IGBT的通斷實(shí)現(xiàn)對流過電感L電流瞬時(shí)值增大或減小的調(diào)整。交流側(cè)電感起濾波、儲能和相位匹配等作用[1]。

圖3 主電路

整個(gè)控制電路的框圖如圖4所示，操作模塊設(shè)置兩個(gè)電位器和3個(gè)開關(guān)。一個(gè)電位器用來設(shè)置流入整流級電流幅值，另一個(gè)用來設(shè)置流入整流級電流的相位。一個(gè)開關(guān)是設(shè)置相位是超前還是滯后，一個(gè)是控0制系統(tǒng)開關(guān)，還有一個(gè)是總開關(guān)。兩個(gè)驅(qū)動模塊都帶有死區(qū)保護(hù)功能。

圖4 硬件框圖

控制電路的核心是單片機(jī)，其負(fù)責(zé)檢測和控制的變量比較多，因此選擇了工作速度快，功能強(qiáng)大的32位單片機(jī)，型號為STM32F103RBT6。單片機(jī)的PC6～PC9經(jīng)過驅(qū)動電路[9]分別控制逆變級的4個(gè)IGBT，單片機(jī)的PC10～PC13經(jīng)過驅(qū)動電路分別控制整流級的4個(gè)IGBT。PA8引腳用于輸入設(shè)置相位是超前還是滯后的開關(guān)信號。外部中斷0對應(yīng)的PA0引腳，用于輸入整流級交流電壓的過零點(diǎn)信號。外部中斷1對應(yīng)的PA1引腳，用于逆變級輸出交流電壓的過零點(diǎn)信號。定時(shí)器2用于中斷方式，起定時(shí)修改相角的作用。此單片機(jī)中有兩個(gè)12位ADC，可以用16個(gè)外部通道。用第8～12通道輸入5個(gè)模擬信號[6]。

3 軟件設(shè)計(jì)

控制程序利用ST公司提供的庫函數(shù)，采用C語言編寫[12]。程序由主函數(shù)、外部中斷0服務(wù)函數(shù)、外部中斷1服務(wù)函數(shù)、定時(shí)器重點(diǎn)服務(wù)函數(shù)和與初始化有關(guān)的函數(shù)組成。為了減小計(jì)算量，程序中利用數(shù)組存儲正弦函數(shù)值。數(shù)組共360個(gè)元素，對應(yīng)0°～360°每個(gè)整度數(shù)的正弦值。

在主程序中，首先進(jìn)行初始化，包括時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)置，引腳設(shè)置，中斷系統(tǒng)設(shè)置，外部中斷設(shè)置、ADC系統(tǒng)的設(shè)置和變量賦初值。完成后進(jìn)入循環(huán)。循環(huán)中，先對大電容上電壓進(jìn)行判斷，如果超限則立刻停機(jī)，防止大電容爆炸。如果正常則完成后續(xù)工作，對電流進(jìn)行采樣，計(jì)算設(shè)置電流此刻瞬時(shí)值，對逆變級和整流級進(jìn)行控制。如圖5所示。

定時(shí)器中斷服務(wù)程序用來，更新相角值。每來一次定時(shí)器中斷，相角值加1°。并且使相角在0°～360°循環(huán)。整流級和逆變級各有各的相角。

外部中斷0用于整流級控制，起到同步流入整流級電流相位與整流級輸入端電壓相位的作用。輸入電壓的每個(gè)上升沿，來一次外部中斷0的申請，進(jìn)行一次他們相位的同步。

外部中斷1用于逆變級控制，起到同步流出逆變級電流相位與電網(wǎng)電壓相位的作用。輸入電壓的每個(gè)上升沿，來一次外部中斷0的申請，進(jìn)行一次他們相位的同步。在外部中斷1的中斷服務(wù)中，還要完成對大電容上電壓控制。控制算法采用遇限消弱的PID控制算法[15]。

圖5 主程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了調(diào)試方便，保證安全，采用變壓器對整流級交流側(cè)輸入電壓降壓，對逆變級輸出交流電壓進(jìn)行升壓。兩變壓器的高壓側(cè)一起接電網(wǎng)。主電路通電后，控制電路還沒工作之前，通過二極管的整流作用，對大電容C充電，其兩端電壓可以達(dá)到變壓器低壓側(cè)交流電壓的最大值?？刂齐娐饭ぷ骱?，如果整流級工作在整流狀態(tài)，大電容C上的電壓將進(jìn)一步上升，而系統(tǒng)自動調(diào)整逆變級輸出電流，可以使大電容C上的電壓穩(wěn)定。系統(tǒng)正常工作時(shí)，要求大電容C上的電壓穩(wěn)定，因此先調(diào)試逆變級，再調(diào)試整流級，最后整體調(diào)試。大電容的電容取2 000 μF，交流側(cè)兩個(gè)大電感取2 mH[5]。

圖6是系統(tǒng)工作時(shí)，用虛擬儀器采樣并繪制的波形圖。圖6中的每張波形圖中有4條曲線，每幅圖中最低下的正弦波是電網(wǎng)電壓曲線，中間的直線為大電容C上的電壓，上邊兩條帶毛刺的正弦波是系統(tǒng)輸入輸出電流曲線，幅值較大的曲線是流入整流級的電流曲線，幅值較小的是逆變級輸出的電流曲線。這兩條電流曲線的毛刺比整流級或逆變級單獨(dú)工作時(shí)電流曲線上的毛刺要嚴(yán)重，這說明采用一個(gè)STM32單片機(jī)對整個(gè)系統(tǒng)控制，速度有些低，可以考慮采用兩個(gè)STM32單片機(jī)分別控制前后兩級。

圖6 波形圖

圖6（a）是系統(tǒng)運(yùn)行在阻性狀態(tài)波形圖，此時(shí)輸入電流與輸入電壓同頻同相，逆變電流與電網(wǎng)電壓反相（設(shè)流入系統(tǒng)為電流正向），大電容C上的電壓穩(wěn)。系統(tǒng)輸出電流隨系統(tǒng)輸入電流增大而增大，減小而減小，但輸出電流總比流入系統(tǒng)的電流小，這是系統(tǒng)的損耗所致。

圖6（b）是系統(tǒng)運(yùn)行在容性狀態(tài)波形圖，此時(shí)系統(tǒng)輸入電流相位超前輸入電壓90°。圖6（c）和圖6（d）時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行在感性狀態(tài)波形圖，系統(tǒng)輸入電流相位滯后輸入電壓，系統(tǒng)運(yùn)行在感性狀態(tài)。圖6（c）中輸入電流相位滯后輸入電壓45°，此時(shí)系統(tǒng)輸出電流的相位與電網(wǎng)電壓反相，逆變級工作在逆變狀態(tài)。圖6（d）中輸入電流相位滯后輸入電壓90°。當(dāng)系統(tǒng)輸入電流相位超前或滯后輸入電壓90°時(shí)，整流級向大電容充電的有效電流為零，為了保持大電容C上的電壓穩(wěn)定，需要逆變級向大電容進(jìn)行微弱的充電。逆變級在控制系統(tǒng)的控制下，處于弱整流狀態(tài)。

5 結(jié)論

采用所選方案可以實(shí)現(xiàn)電子負(fù)載在阻性、容性和感性狀態(tài)下工作；在STM32單片機(jī)控制下系統(tǒng)能穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行；PID算法對穩(wěn)定儲能大電容上的電壓，效果良好。

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