基于DSP全數字控制應急電源設計

1、本文由【中文word文檔庫】 搜集整理。中文word文檔庫免費提供海量教學資料、行業(yè)資料、范文模板、應用文書、考試學習和社會經濟等word文檔基于DSP全數字控制應急電源設計 作者：夏超英天津大學 夏超英 許曉萍 余慧峰中國科學院電工研究所 李 峰 摘要：基于高性能數字信號處理器(DSP)設計了全數字控制的智能型應急電源。首先給出了該應急電源的主電路拓撲，詳述了其工作原理。其次介紹了基于TMS320LF2407 DSP芯片的控制電路硬件設計，分析了充電和逆變管理的軟件設計，給出了主程序流程圖。最后給出該應急電源的實驗波形。 關鍵詞：不間斷電源；充電；逆變器數字信號處理器 1 引言隨著社會信息化

2、、現代化的發(fā)展，對供電可靠性的要求越來越高，大型建筑，如機場、車站、會展中心、體育館、政府機構辦公樓及高層建筑等，一旦供電系統(tǒng)突然發(fā)生故障而中斷供電，將會破壞社會的正常生活秩序，甚至造成重大的政治影響和經濟損失。然而，電力故障突發(fā)性強，往往不以人的意志為轉移，因為無論供電部門管理多嚴格，電網設施多先進，斷電也在所難免。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。 急電源又稱EPS(Emergency Power System)，具有下述優(yōu)點：電網有電時，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、無火災隱患的特點。自動切換，可實現無人值守。

3、電網供電與EPS電源供電相互切換時間均為0.10.25s。帶載能力強。EPS適應于電感性、電容性、及綜合性負載的設備，如電梯、水泵、風機、辦公自動化設備、應急照明等。使用可靠。主機壽命長達20年以上。適應惡劣環(huán)境。可放置于地下室或配電室，也可緊靠應急負荷使用場所就地設置，以減少供電線路。 本文介紹一種基于DSP對應急電源的充電和逆變等過程進行控制的設計方案。此外，利用DSP和51單片機的串口進行通信，設計了界面友好的人機接口，用戶可通過人機接口啟動、停止電源，使電源進入強迫逆變狀態(tài)，了解電源的工作狀態(tài)、故障類型和輸出電壓、輸出電流等參數。 2 應急電源工作原理圖1示出應急電源的主回路電氣原理圖

4、。電路板上電以后，根據6號檢測通道判斷電網電壓是否正常。 圖中電池電壓UH的檢測點 VI1VI6IGBT 充電電流ic的檢測點 KM1KM5繼電器 逆變電流ib的檢測點 逆變電壓ub的檢測點 電容電壓uc的檢測點 電網電壓Us的檢測點如果Us正常，系統(tǒng)先檢測是否在逆變狀態(tài)，若不在逆變狀態(tài)，則要求外部主電路KM1吸合，KM5斷開；若在逆變狀態(tài)，則要先停止逆變，KM3，KM4斷開，再要求外部主電路KM1吸合，KM5斷開。同時 KM2吸合，負載開始由市電供電；認輸入給變壓器，變壓器抽出兩個抽頭取出150V電壓輸入給單相整流橋ZL，ZL的輸出端接有電容，使ZL的輸出電壓為輸入電壓的1.4倍，大約是21

5、0V左右，ZL輸出的直流電通過電阻給電容C預充電，當Uc>200V后，要求KM4閉合，由市電直接給C充電，C充滿后由 DSP控制VI1(VI2常斷)，經過電抗器和熔斷器給電池充電。 如果Us不正常，即存在欠壓或過壓，則KM1， KM2，KM4斷開，KM3，KM5閉合，由于在充電過程中 uc高于UH，所以需在蓄電池放電之前先對C放電，當uc接近UH時，KM4閉合，此時VI3VI6由DSP控制，負載由電源供電。檢測點為ub檢測點，ub的有效值U6100V時為正常電壓；若不符合，需在軟件中通過PID算法進行調整。檢測點為ib檢測點， ib>30A時為過流故障狀態(tài)。由此可見，該應急電源可通

6、過DSP實時檢測 Us，實現自動切換，在市電異常時及時對負載供電。 3 DSP硬軟件設計該電源的中心控制處理電路是以DSP為核心的控制系統(tǒng)，它由TMS320LF2407型DSP、采樣電路、驅動電路、故障監(jiān)測和處理電路、串口通信電路等組成。EPS電源的各種功能是在此基礎上，通過軟件編程實現的。軟件主要完成檢測各種模擬和數字輸入量；對輸入的信息進行運算和處理；充電管理和逆變控制；安時計算和串口通信等功能。 3.1 TMS320LF2407簡介1 TMS320LF2407是美國TI公司推出的一種低價格、高性能的16位定點運算DSP，TMS320LF2407的性價比極高，目前已成為高檔單片機的理想替代

7、品，因其內部集成的PWM模塊，使其在電機控制、儀器儀表、電力電子、工業(yè)控制等領域得到了廣泛應用。TMS320LF2407的主要性能有:晶振為30MHz時的指令周期為33ns?？蓴U展的外部存儲器總共為192K。其中64K為程序存儲器，64K為數據存儲器，64K為I/O尋址空間。豐富的片內資源。含10位A/D轉換模塊、控制器局域網絡(CAN)2.0B模塊、串行通信接口、16位的串行外設接口模塊等。有兩個事件管理器模塊EVA和EVB，每個含兩個 16位通用定時器和8個16位的PWM通道。強大的指令集。有單周期乘/加旨令，塊移動、多條件轉移和調用等指令。遵循IEEEll49.1標準的片內 JTAG仿真

8、邏輯。 3.2 硬件設計2 硬件電路采用以DSP芯片TMS320LF 2407 為核心的設計。它包括： (1)電壓電流采樣 應急電源對電壓的采樣是通過差分電路實現的。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過濾波、電平調整后實現的。本設計中，交流量需計算其有效值，是通過對瞬時采樣值的整流、濾波實現的。圖2中 R1R8=2M R9=R10=100k R11=10k C1C3=0.01F (2)IGBT驅動 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。 IGBT驅動通過專用驅動芯片EXB840實現。

9、EXB840是混合IC，內部具有光耦信號隔離電路和過流保護電路，能驅動高達150A/600V的IGBT和高達75A/1.2kV的IGBT，最高開關頻率達40kHz。 (3)一般I/O信號的處理 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口經輔助繼電器輸出。 (4)故障監(jiān)測 該應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

10、用查詢方式。 (5)串口通信 DSP將采樣電路采集的ic，UH， ih，ub等參數以及監(jiān)測到的故障類型、系統(tǒng)的工作狀態(tài)通過異步串行口輸出至人機接口單元。 3.3 軟件設計該系統(tǒng)在主程序中檢測Us，并置系統(tǒng)狀態(tài)：充電狀態(tài)為狀態(tài)1，此時使能定時器1的比較輸出，禁止其它PWM比較輸出；逆變狀態(tài)為狀態(tài)2，此時禁止定時器1的比較輸出，使能比較單元的 PWM1PWM4的比較輸出。另外，還有一個狀態(tài)0，作為狀態(tài)1和狀態(tài)2轉換的中間狀態(tài)，此時關閉所有的PWM輸出通道。當Us正常時，若電源處在狀態(tài)2，則需經狀態(tài)0再進入狀態(tài)1；同樣，當Us異常時，若電源處在狀態(tài)1，則需經狀態(tài)0再進入狀態(tài)2。當uH低于其最低放電電

11、壓時，電源即退出運行，進入待機狀態(tài)。圖3示出主程序流程圖。系統(tǒng)利用定時器每100s申請一次PWM中斷，即調制頻率為10kHz，在中斷服務程序中，根據狀態(tài)標志位判斷是狀態(tài)1，還是狀態(tài)2，分別調用充電管理子程序和逆變管理子程序。在中斷服務程序中還設置了安/時計算計數器和數據傳輸計數器，當計數到一定值后，分別設置安/時計算標志位和數據傳輸標志位(安/時計算計數到10000，即1s計算一次安/時，數據傳輸計數到200，即20ms傳輸一次數據)，在主程序中根據標志位判斷是否調用安/時計算子程序和數據傳輸子程序。對蓄電池的充電采用恒流和恒壓充電，即在充電的第一階段實施均充，即由DSP控制以恒定的 5A電流

12、給電池組充電。當電池充到每節(jié)12.5V時，充電過程轉為第二階段的涓充狀態(tài)，涓充電流的大小為0.5A；當電池組充電至每節(jié)13V后，系統(tǒng)進入浮充狀態(tài)，浮充階段采用恒壓充電，即維持UH每節(jié)13V不變。逆變管理采用SPWM3技術，調制 頻率為10kHz，輸出電壓u0采用電壓有效值反饋，其中給定電壓逐步增加，u0采樣后用軟件完成整流濾波，由DSP通過PID算法調節(jié)。 4 實驗結果圖4示出市電正常供電情況下瞬間掉電時，逆變輸出端經過濾波后測得的正弦波。由圖可知，應急電源啟動后，輸出頻率為50Hz的正弦波，其幅值逐漸增大，在第4個周期后逐漸趨于穩(wěn)定，這與逆變管理程序中給定電壓的逐步增加相符。 5 結束語基于DSP芯片TMS320LF2407對應