吳明高

[摘? ? 要]傳統(tǒng)化的正弦波脈寬調(diào)制控制（SPWM）技術(shù)與相控技術(shù)均在不間斷電源電路控制方面存在諸多局限，隨著信息化改革的深入，數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）成為控制不間斷電源（UPS）的主流趨勢(shì)。基于此，本文首先闡述了不間斷電源的工作原理，提出DSP不間斷電源控制技術(shù)的運(yùn)行流程，分析DSP控制不間斷電源的關(guān)鍵電路結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步圍繞控制實(shí)例展開探討，以供參考。

[關(guān)鍵詞]數(shù)字控制技術(shù);數(shù)字信號(hào)處理器;不間斷電源

[中圖分類號(hào)]TN86 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）11–00–02

Research on Uninterruptible Power Supply Control Technology Based on DSP

Wu Ming-gao

[Abstract]The traditional sine wave pulse width modulation control （SPWM） technology and phase control technology have many limitations in the control of uninterruptible power supply circuits. With the deepening of information reform， the digital signal processor （DSP） has become an uninterrupted control Main trend of power supply （UPS）. Based on this， this article first expounds the working principle of uninterruptible power supply， proposes the operation flow of DSP uninterruptible power supply control technology， analyzes the key circuit structure of DSP control uninterruptible power supply， and further discusses the control examples for reference.

[Keywords]digital control technology; digital signal processor; uninterruptible power supply

在信息技術(shù)日漸完善的現(xiàn)代社會(huì)背景下，不間斷電源不再為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)獨(dú)立外設(shè)，成為整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定安全運(yùn)行的關(guān)鍵，但傳統(tǒng)技術(shù)無法滿足不間斷電源智能化、自動(dòng)化發(fā)展需求。為提升不間斷電源綜合性能，需借助DSP技術(shù)對(duì)不間斷電源加以控制，DSP數(shù)字信號(hào)處理器借助軟件極大地提升了不間斷電源的集成度，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠靈活響應(yīng)。

1 不間斷電源（UPS）工作原理

供電質(zhì)量不佳的是電源經(jīng)不間斷電源整流濾波器轉(zhuǎn)化后將成為直流電源，通過逆變電路正弦脈寬調(diào)制技術(shù)（SPWM），將已轉(zhuǎn)化完成的直流電源再次轉(zhuǎn)化為高供電質(zhì)量的正弦波交流電源。當(dāng)市電處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，市電可為不間斷電源蓄電池組充電。若市電處于停電或故障狀態(tài)，則可借助不間斷電源蓄電池組為逆變器提供直流電源，使逆變器可在市電停電或故障時(shí)仍正常運(yùn)行，為用戶提供穩(wěn)定的正弦波交流

電源。

2 DSP不間斷電源控制技術(shù)的運(yùn)行流程

當(dāng)市電正常且頻率、輸入電壓均在允許范圍內(nèi)時(shí)，電路PFC部分則會(huì)對(duì)輸入市電展開功率因數(shù)校正，使輸入功率因數(shù)保持在0.98左右，并且避免電網(wǎng)污染問題。經(jīng)過PFC環(huán)節(jié)變換后，輸入的市電成為400 V直流輸出電壓，該部分電壓可為后續(xù)逆變電路提供能量支撐。此時(shí)，電路DC/DC部分仍正常運(yùn)行，當(dāng)電池電壓經(jīng)過DC/DC電路后，將轉(zhuǎn)化為360 V輸出電壓，略低于市電電壓。通過PFC變換后，將進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為直流母線電壓，此時(shí)可運(yùn)用二極管將其與直流母線隔離，使DC/DC部分進(jìn)入空載運(yùn)行熱備用狀態(tài)。當(dāng)市電故障或停電，頻率、輸入電壓未處于規(guī)定范圍內(nèi)時(shí)，經(jīng)PFC部分轉(zhuǎn)化后，市電獲得直流母線電壓的速度迅速降低;當(dāng)其低于360 V時(shí)，二極管導(dǎo)通，將直流母線電壓控制在360 V。此時(shí)，電池電壓經(jīng)過DC/DC電路轉(zhuǎn)化為直流母線電壓，該部分電壓用于供給逆變器，以此維持電路穩(wěn)定，即無論市電是否正常運(yùn)行，電路逆變部分均可正常

工作。

3 DSP控制不間斷電源的關(guān)鍵電路結(jié)構(gòu)

3.1 功率校正電路

不間斷電源為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，需借助DSP軟件編程實(shí)現(xiàn)算法計(jì)算及器件控制，該結(jié)構(gòu)比模擬器件控制結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)潔高效?；贒SP的不間斷電源輸入功率因數(shù)校正電路主要由電感、功率管、電容、二極管構(gòu)成，其主要功能在于功率因數(shù)校正，并將電壓至400 V。功率校正電路可在一定程度上降低外部電網(wǎng)對(duì)UPS市電的干擾，并提高整個(gè)不簡(jiǎn)單電源系統(tǒng)功率因數(shù)轉(zhuǎn)換效率，是DSP控制不間斷電源的關(guān)鍵電路結(jié)構(gòu)。在整個(gè)UPS市電系統(tǒng)內(nèi)，功率校正模塊為AC/DC變換器，完成輸入整流的同時(shí)，可將輸入電流轉(zhuǎn)化為正弦波，繼而提升UPS市電系統(tǒng)輸入功率因數(shù)，而功率因數(shù)校正部分需與直流電壓保持恒定，所以功率因數(shù)校正部分不隨輸入的改變而變化。同時(shí)，直流電壓在逆變部分轉(zhuǎn)化為頻率、幅值適宜的交流電源，當(dāng)市電故障或停電時(shí)，UPS將在蓄電池支撐下完成運(yùn)轉(zhuǎn)，直流電源經(jīng)DC/DC部分轉(zhuǎn)化為逆變部分所需直流電壓。

3.2 正弦逆變電路

正弦逆變電路由兩個(gè)電容、電感和四個(gè)功率管組成的逆變橋構(gòu)成。在功率校正電路模塊作用下，輸出電壓經(jīng)逆變部分轉(zhuǎn)化為純正弦波交流電壓，而UPS系統(tǒng)由DSP數(shù)字信號(hào)處理器控制，其正弦逆變器始終處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下。正弦逆變器的工作原理為借助采樣電路完成逆變電路輸出電流、電壓的采樣，并將所獲得的采樣電流信號(hào)、電壓信號(hào)輸入DSP內(nèi)。此時(shí)，數(shù)字信號(hào)處理器將對(duì)采樣電流信號(hào)、電壓信號(hào)展開處理，并按照特定程序與算法完成對(duì)正弦逆變電路的控制。

3.3 DC/DC電路

DC/DC電路由電容、整流二極管、功率管、高頻變壓器構(gòu)成，并采用直流電壓環(huán)的方式進(jìn)行反饋控制，完成轉(zhuǎn)化后的電壓通過二極管與功率校正電路的輸出端相連。但蓄電池在市電故障與停電狀態(tài)下的電壓相對(duì)較低，且逆變器的直流電壓利用率不高，為解決該困境，需借助DC/DC電路完成電池電壓的轉(zhuǎn)化。在UPS市電系統(tǒng)內(nèi)，DC/DC電路可采用不同結(jié)構(gòu)，各類結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺，其中推挽式直流變換電路為最常用的結(jié)構(gòu)，其輸出功率大且電路簡(jiǎn)單，可適用于大多數(shù)UPS市電系統(tǒng)。

3.4 其他結(jié)構(gòu)功能

為了解UPS電源系統(tǒng)運(yùn)行情況，可運(yùn)用串行外設(shè)接口、串行通信接口對(duì)UPS進(jìn)行監(jiān)控，并將串行通信接口與微機(jī)對(duì)接，即可完成遠(yuǎn)程監(jiān)控與通信。對(duì)于UPS而言，該部分結(jié)構(gòu)設(shè)置與接口對(duì)接為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的關(guān)鍵部分。一方面，當(dāng)市電處于故障或停電狀態(tài)時(shí)，USP可借助上述通信通道向計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳遞故障報(bào)警信號(hào)，若市電長(zhǎng)時(shí)間停電導(dǎo)致蓄電池供電電壓低于臨界放電電壓時(shí)，UPS電源將接收到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳遞來的自動(dòng)關(guān)閉命令，并按命令完成自動(dòng)關(guān)閉，繼而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保存，并對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。另一方面，為保障DSP控制不間斷電源系統(tǒng)的完整，需設(shè)置功能完善的人機(jī)界面，可用于UPS運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)跟蹤，便于修改參數(shù)信息，并為UPS運(yùn)行歷史記錄查詢提供便利。除此之外，在數(shù)字信號(hào)處理器作用下，可依托計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)增設(shè)UPS定時(shí)自動(dòng)開關(guān)機(jī)操作，繼而實(shí)現(xiàn)全方位控制。為實(shí)現(xiàn)上述控制功能，需設(shè)置通信接口，確保控制信號(hào)可被有效傳遞并執(zhí)行，同時(shí)，具有網(wǎng)絡(luò)管理功能的UPS，應(yīng)在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議適配器，進(jìn)一步提升控制效果。

4 DSP不間斷電源控制技術(shù)的實(shí)例分析

4.1 信號(hào)處理器介紹

為增強(qiáng)本次研究分析實(shí)效，圍繞TMS320F28335DSP 32位信號(hào)處理器展開實(shí)例分析。TMS320F28335DSP主頻最高150 MHz，具有精度高、響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)，其內(nèi)部具有ePWMxA、ePWMxB兩個(gè)脈沖調(diào)制管理器模塊、ADC模塊、單精度浮點(diǎn)運(yùn)算單元，區(qū)別于2812DSP，TMS320F28335DSP的精度更高。其中ePWM模塊內(nèi)均包括通用定時(shí)器，用于事件采樣與定時(shí);ADC模塊為12位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，模擬輸入通道共設(shè)16個(gè)模塊，配置兩個(gè)獨(dú)立通道模塊。TMS320F28335DSP32位信號(hào)處理器具有脈寬調(diào)制通道共18道，可為不間斷電源提供所需的PWM控制波形。因TMS320F28335DSP 32位信號(hào)處理器存在上述特點(diǎn)，故而將TMS320F28335DSP 32位信號(hào)處理器作為UPS核心控制器。

4.2 DSP控制UPS的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.2.1 硬件設(shè)計(jì)

圖1為TMS320F28335DSP控制不間斷電源的硬件框圖。圖1中TMS320F28335DSP通過ADC4/15、ADC2/13兩路通道對(duì)電壓Vo、電流Io采樣，獲得采樣信號(hào)，同時(shí)經(jīng)ADC3/14通道，或?qū)Σ婚g斷電源初始電壓電流進(jìn)行采樣，將所獲得的采樣信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)存有偏差，經(jīng)PID控制器調(diào)節(jié)后生成開關(guān)信號(hào)，經(jīng)門驅(qū)動(dòng)后用于控制逆變器，在逆變器作用下使輸出電壓波形與給定電壓波形更為接近。此外，DSP可檢測(cè)電池電量，當(dāng)DC經(jīng)整流器整流后，DSP可采樣DC信號(hào)，當(dāng)AC輸入出現(xiàn)故障時(shí)，則變頻器所需直流電源由電池提供，以此維持穩(wěn)定AC輸出。

4.2.2 基準(zhǔn)正弦波信號(hào)

不間斷電源系統(tǒng)通常運(yùn)用定時(shí)查表法獲得頻率為50 Hz的基準(zhǔn)正弦波信號(hào)。定時(shí)查表法具體應(yīng)用方法如下：①將192個(gè)點(diǎn)作為一個(gè)周期，計(jì)算各點(diǎn)正弦值，繼而生成基準(zhǔn)正弦表;②以1/192周期為間隔讀取各點(diǎn)并計(jì)算，以此得到基準(zhǔn)正弦波信號(hào)。因TMS320F28335DSP為單極性輸入，所以基準(zhǔn)正弦表同樣呈現(xiàn)出單極性特征。同時(shí)，不間斷電源的輸出電壓應(yīng)與市電電壓的相位、頻率處于同步狀態(tài)，即電網(wǎng)頻率達(dá)標(biāo)時(shí)，不間斷電源系統(tǒng)內(nèi)逆變器需與電網(wǎng)同步運(yùn)行;若電網(wǎng)出現(xiàn)故障，變頻器則需按照TMS320F28335DSP 50 Hz基準(zhǔn)頻率運(yùn)行，以此降低逆變器、市電相互切換時(shí)帶來的負(fù)載沖擊，使不間斷電源可安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2.3 調(diào)節(jié)輸出電壓有效值

為實(shí)現(xiàn)DSP對(duì)不間斷電源的有效控制，可調(diào)節(jié)輸出電壓有效值。當(dāng)市電波動(dòng)或出現(xiàn)負(fù)載時(shí)，確保不間斷電源系統(tǒng)內(nèi)的逆變器輸出電壓有效值使用處于穩(wěn)定可接受的范圍內(nèi)。實(shí)現(xiàn)輸出電壓有效值有效調(diào)節(jié)的步驟如下：①按照1/192市電采樣周期，對(duì)逆變器輸出電壓進(jìn)行采樣;②將采樣所得電壓轉(zhuǎn)化為0～5 V電壓;③將0～5 V電壓傳遞至DSPA/D轉(zhuǎn)換通道，并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，讀取轉(zhuǎn)換值，計(jì)算逆變器輸出電壓采樣值平方和，累加各點(diǎn)平方和，即可得到輸出電壓有效值的平方，計(jì)算公式如下：

（1）

式（1）中，U為輸出電壓有效值;Ui為逆變器輸出電壓采樣值。

4.2.4 UPS緩啟動(dòng)

不間斷電源緩啟動(dòng)需借助軟件對(duì)給定基準(zhǔn)正弦波幅值進(jìn)行調(diào)整，確保逆變器進(jìn)入啟動(dòng)狀態(tài)后輸出電壓可從0 V穩(wěn)定上升至基準(zhǔn)值，待穩(wěn)定后逆變器可正常輸出。結(jié)合實(shí)例來看，需設(shè)定變量x，用于決定輸出幅值，并設(shè)穩(wěn)態(tài)值為200，3 s可調(diào)，基準(zhǔn)正弦值在輸出前乘以變量x后進(jìn)行輸出，隨時(shí)間推移，在軟件作用下調(diào)節(jié)變量x，即可使逆變器輸出電壓可從0 V穩(wěn)定上升至基準(zhǔn)值，實(shí)現(xiàn)緩啟動(dòng)。

5 結(jié)束語

在現(xiàn)代化背景下，數(shù)字信號(hào)處理器現(xiàn)已在UPS中得到廣泛應(yīng)用，可有效提升UPS產(chǎn)品輸出電壓純凈程度及穩(wěn)定性，使UPS更為可靠。對(duì)于UPS而言，數(shù)字化信號(hào)處理不僅是簡(jiǎn)單的運(yùn)用數(shù)字器件，更是借助數(shù)字信號(hào)處理器的離散控制辦法及計(jì)算能力對(duì)不間斷電源進(jìn)行控制，而隨著數(shù)字化技術(shù)的完善與更新，不間斷電源的控制辦法必然朝向數(shù)字化方向發(fā)展。

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