基于DSP全數(shù)字控制應(yīng)急電源設(shè)計(jì)

1、本文由【中文word文檔庫】 搜集整理。中文word文檔庫免費(fèi)提供海量教學(xué)資料、行業(yè)資料、范文模板、應(yīng)用文書、考試學(xué)習(xí)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等word文檔基于DSP全數(shù)字控制應(yīng)急電源設(shè)計(jì) 作者：夏超英天津大學(xué) 夏超英 許曉萍 余慧峰中國科學(xué)院電工研究所 李 峰 摘要：基于高性能數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)設(shè)計(jì)了全數(shù)字控制的智能型應(yīng)急電源。首先給出了該應(yīng)急電源的主電路拓?fù)洌斒隽似涔ぷ髟?。其次介紹了基于TMS320LF2407 DSP芯片的控制電路硬件設(shè)計(jì)，分析了充電和逆變管理的軟件設(shè)計(jì)，給出了主程序流程圖。最后給出該應(yīng)急電源的實(shí)驗(yàn)波形。 關(guān)鍵詞：不間斷電源；充電；逆變器數(shù)字信號(hào)處理器 1 引言隨著社會(huì)信息化

2、、現(xiàn)代化的發(fā)展，對(duì)供電可靠性的要求越來越高，大型建筑，如機(jī)場、車站、會(huì)展中心、體育館、政府機(jī)構(gòu)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(huì)破壞社會(huì)的正常生活秩序，甚至造成重大的政治影響和經(jīng)濟(jì)損失。然而，電力故障突發(fā)性強(qiáng)，往往不以人的意志為轉(zhuǎn)移，因?yàn)闊o論供電部門管理多嚴(yán)格，電網(wǎng)設(shè)施多先進(jìn)，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(shí)由備用電源供電。 急電源又稱EPS(Emergency Power System)，具有下述優(yōu)點(diǎn)：電網(wǎng)有電時(shí)，處于靜態(tài)，無噪音；供電時(shí)，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(zāi)隱患的特點(diǎn)。自動(dòng)切換，可實(shí)現(xiàn)無人值守。

3、電網(wǎng)供電與EPS電源供電相互切換時(shí)間均為0.10.25s。帶載能力強(qiáng)。EPS適應(yīng)于電感性、電容性、及綜合性負(fù)載的設(shè)備，如電梯、水泵、風(fēng)機(jī)、辦公自動(dòng)化設(shè)備、應(yīng)急照明等。使用可靠。主機(jī)壽命長達(dá)20年以上。適應(yīng)惡劣環(huán)境?？煞胖糜诘叵率一蚺潆娛?，也可緊靠應(yīng)急負(fù)荷使用場所就地設(shè)置，以減少供電線路。 本文介紹一種基于DSP對(duì)應(yīng)急電源的充電和逆變等過程進(jìn)行控制的設(shè)計(jì)方案。此外，利用DSP和51單片機(jī)的串口進(jìn)行通信，設(shè)計(jì)了界面友好的人機(jī)接口，用戶可通過人機(jī)接口啟動(dòng)、停止電源，使電源進(jìn)入強(qiáng)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(shù)。 2 應(yīng)急電源工作原理圖1示出應(yīng)急電源的主回路電氣原理圖

4、。電路板上電以后，根據(jù)6號(hào)檢測通道判斷電網(wǎng)電壓是否正常。 圖中電池電壓UH的檢測點(diǎn) VI1VI6IGBT 充電電流ic的檢測點(diǎn) KM1KM5繼電器 逆變電流ib的檢測點(diǎn) 逆變電壓ub的檢測點(diǎn) 電容電壓uc的檢測點(diǎn) 電網(wǎng)電壓Us的檢測點(diǎn)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(shí) KM2吸合，負(fù)載開始由市電供電；認(rèn)輸入給變壓器，變壓器抽出兩個(gè)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(yù)充電，當(dāng)Uc200V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(jīng)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(duì)C放電，當(dāng)uc接近UH時(shí)，KM4閉合，此時(shí)VI3VI6由DSP控制，負(fù)載由電源供電。檢測點(diǎn)為ub檢測點(diǎn)，ub的有效值U6100V時(shí)為正常電壓；若不符合，需在軟件中通過PID算法進(jìn)行調(diào)整。檢測點(diǎn)為ib檢測點(diǎn)， ib30A時(shí)為過流故障狀態(tài)。由此可見，該應(yīng)急電源可通過DSP實(shí)時(shí)檢測

6、 Us，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換，在市電異常時(shí)及時(shí)對(duì)負(fù)載供電。 3 DSP硬軟件設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)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(chǔ)上，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)的。軟件主要完成檢測各種模擬和數(shù)字輸入量；對(duì)輸入的信息進(jìn)行運(yùn)算和處理；充電管理和逆變控制；安時(shí)計(jì)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(jià)格、高性能的16位定點(diǎn)運(yùn)算DSP，TMS320LF2407的性價(jià)比極高，目前已成為高檔單片機(jī)的理想替代品，因其內(nèi)部集成

7、的PWM模塊，使其在電機(jī)控制、儀器儀表、電力電子、工業(yè)控制等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。TMS320LF2407的主要性能有:晶振為30MHz時(shí)的指令周期為33ns。可擴(kuò)展的外部存儲(chǔ)器總共為192K。其中64K為程序存儲(chǔ)器，64K為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，64K為I/O尋址空間。豐富的片內(nèi)資源。含10位A/D轉(zhuǎn)換模塊、控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)2.0B模塊、串行通信接口、16位的串行外設(shè)接口模塊等。有兩個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB，每個(gè)含兩個(gè) 16位通用定時(shí)器和8個(gè)16位的PWM通道。強(qiáng)大的指令集。有單周期乘/加旨令，塊移動(dòng)、多條件轉(zhuǎn)移和調(diào)用等指令。遵循IEEEll49.1標(biāo)準(zhǔn)的片內(nèi) JTAG仿真邏輯。 3.2

8、硬件設(shè)計(jì)2 硬件電路采用以DSP芯片TMS320LF 2407 為核心的設(shè)計(jì)。它包括： (1)電壓電流采樣 應(yīng)急電源對(duì)電壓的采樣是通過差分電路實(shí)現(xiàn)的。圖2示出電壓采樣的差分電路。對(duì)電流的采樣是通過霍爾電流傳感器經(jīng)過濾波、電平調(diào)整后實(shí)現(xiàn)的。本設(shè)計(jì)中，交流量需計(jì)算其有效值，是通過對(duì)瞬時(shí)采樣值的整流、濾波實(shí)現(xiàn)的。圖2中 R1R8=2M R9=R10=100k R11=10k C1C3=0.01F (2)IGBT驅(qū)動(dòng) DSP對(duì)充電控制采用EVA模塊的定時(shí)器1的PWM比較輸出，對(duì)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(qū)動(dòng)通過專用驅(qū)動(dòng)芯片EXB840實(shí)現(xiàn)。 EXB840是混

9、合IC，內(nèi)部具有光耦信號(hào)隔離電路和過流保護(hù)電路，能驅(qū)動(dòng)高達(dá)150A/600V的IGBT和高達(dá)75A/1.2kV的IGBT，最高開關(guān)頻率達(dá)40kHz。 (3)一般I/O信號(hào)的處理 DSP通過通用I/O口采集和輸出各種信號(hào)。消防、開機(jī)、強(qiáng)迫逆變、停止、備用等輸入信號(hào)，通過光電隔離電路送至I/O口。繼電器、接觸器的控制信號(hào)由I/O口經(jīng)輔助繼電器輸出。 (4)故障監(jiān)測 該應(yīng)急電源對(duì)電池過壓欠壓、逆變器過壓、逆變器過流、IGBT故障等嚴(yán)重故障，專門設(shè)計(jì)了硬件鎖死電路，系統(tǒng)上電時(shí)，其被清零，故障到來時(shí)，將其置位，同時(shí)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(duì)一般故障則采用查詢方式。 (

10、5)串口通信 DSP將采樣電路采集的ic，UH， ih，ub等參數(shù)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(jī)接口單元。 3.3 軟件設(shè)計(jì)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(shí)使能定時(shí)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(shí)禁止定時(shí)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(gè)狀態(tài)0，作為狀態(tài)1和狀態(tài)2轉(zhuǎn)換的中間狀態(tài)，此時(shí)關(guān)閉所有的PWM輸出通道。當(dāng)Us正常時(shí)，若電源處在狀態(tài)2，則需經(jīng)狀態(tài)0再進(jìn)入狀態(tài)1；同樣，當(dāng)Us異常時(shí)，若電源處在狀態(tài)1，則需經(jīng)狀態(tài)0再進(jìn)入狀態(tài)2。當(dāng)uH低于其最低放電電壓時(shí)，電源即退出

11、運(yùn)行，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。圖3示出主程序流程圖。系統(tǒng)利用定時(shí)器每100s申請(qǐng)一次PWM中斷，即調(diào)制頻率為10kHz，在中斷服務(wù)程序中，根據(jù)狀態(tài)標(biāo)志位判斷是狀態(tài)1，還是狀態(tài)2，分別調(diào)用充電管理子程序和逆變管理子程序。在中斷服務(wù)程序中還設(shè)置了安/時(shí)計(jì)算計(jì)數(shù)器和數(shù)據(jù)傳輸計(jì)數(shù)器，當(dāng)計(jì)數(shù)到一定值后，分別設(shè)置安/時(shí)計(jì)算標(biāo)志位和數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)志位(安/時(shí)計(jì)算計(jì)數(shù)到10000，即1s計(jì)算一次安/時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸計(jì)數(shù)到200，即20ms傳輸一次數(shù)據(jù))，在主程序中根據(jù)標(biāo)志位判斷是否調(diào)用安/時(shí)計(jì)算子程序和數(shù)據(jù)傳輸子程序。對(duì)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(shí)施均充，即由DSP控制以恒定的 5A電流給電池組充電。當(dāng)

12、電池充到每節(jié)12.5V時(shí)，充電過程轉(zhuǎn)為第二階段的涓充狀態(tài)，涓充電流的大小為0.5A；當(dāng)電池組充電至每節(jié)13V后，系統(tǒng)進(jìn)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(shù)，調(diào)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(diào)節(jié)。 4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖4示出市電正常供電情況下瞬間掉電時(shí)，逆變輸出端經(jīng)過濾波后測得的正弦波。由圖可知，應(yīng)急電源啟動(dòng)后，輸出頻率為50Hz的正弦波，其幅值逐漸增大，在第4個(gè)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(jié)束語基于DSP芯片TMS320LF2407對(duì)應(yīng)