基于DSP的UPS逆变电源的控制系统的研究毕业设计说明书.doc

中北大学2013届毕业设计说明书毕业设计说明书基于DSP的UPS逆变电源的控制系统的研究信息与通信工程学院8学生姓名： 学号： 电气工程及其自动化学 院： 专 业： 指导教师： 2013年6月毕 业 设 计 任 务 书1毕业设计的任务和要求：通过对UPS基本原理和各个模块的分析，完成基于DSP的UPS逆变电路的软硬件设计制作，在硬件电路方面，设计基于DSP为控制芯片的逆变控制电路，并采用CPLD做端口扩展和相移。在软件开发方面，研究UPS实时控制软件的主要流程，产生用于生成标准正弦波的SPWM信号和可控硅控制信号，驱动IGBT逆变并控制可控硅整流。2毕业设计的具体工作内容：分析UPS逆变电源的主要组成部分及逆变电源实现过程中的关键技术；设计UPS逆变电源控制系统的硬件电路并绘制电路板。硬件电路选用TMS320F2808作为主控芯片，配合EPM24OTIOOC高性能CPLD做接口扩展和相位变换。在Altium Designer环境下设计UPS控制系统的硬件电路，绘制PCB电路板；对DSP和CPLD进行软件开发，实现UPS逆变电源控制系统的软启动功能，正确输出三相SPWM波和6脉冲可控硅整流控制信号，监控系统输入输出环节中的电压、电流、频率、逆变模块温度等参量。毕 业 设 计 任 务 书3对毕业设计成果的要求：毕业设计说明书一本、电路图、仿真图、部分仿真程序、英文翻译。4毕业设计工作进度计划：起 迄 日 期工 作 内 容年月 日 月 日 月 日 月 日月 日 月 日查阅资料，阅读相关文献，学习了有关基于DSP的UPS逆变的相关知识；研究了TMS320F2808芯片，对基于DSP的在线式UPS逆变控制系统的硬件电路进行设计；在Altium Designer环境下设计UPS控制系统的硬件电路，绘制硬件电路图与软件仿真图；撰写论文、论文答辩学生所在系审查意见：系主任： 年 月 日中 北 大 学毕业设计(论文)中期报告学 生 姓 名：学 号：学 院、系：信息与通信工程学院电气工程系专 业：电气工程及其自动化论 文 题 目：基于DSP的UPS逆变电源的控制系统的研究指导教师:李郁峰 2013年 月 日毕业设计(论文)中期报告学校中北大学论文基于DSP的UPS逆变电源的控制系统的研究本人在该设计中具体应完成的工作1、 收集相关资料，对基于DSP的UPS逆变电源的控制系统的研究有大概的掌握。2、 完成基于DSP的UPS逆变电路的软硬件设计制作，在硬件电路方面，设计基于DSP为控制芯片的逆变控制电路，并采用CPLD做端口扩展和相移。3、 对设计的系统进行仿真实验，得出实验结果并对结果进行分析，确保系统的可行性。1、 简述毕业论文开始以来所做的具体工作和取得的进展收集和查阅了相关的文献资料，完成了开题报告，并着手对论文中的设计部分开始初步设计和研究。目前已经完成了对基于DSP的UPS逆变电源的原理图和部分设计。2、 目前存在问题，下一步的主要研究任务，具体设想与安排 目前存在的问题是正确的实现对DSP和CPLD进行编程，以及实现系统的仿真模拟。实现UPS逆变电源控制系统的软启动功能，正确输出三相SPWM波和6脉冲可控硅整流控制信号，监控系统输入输出环节中的电压、电流、频率、逆变模块温度等参量；进行仿真实验并对结果进行分析，完成毕业论文。3、 指导教师对该学生前期研究工作的评价 指导教师签字： 年 月 日摘 要UPS(Uninterrupted Power Supply)是一种电力设备，当电网供电出现紧急故障时，UPS逆变电源可以利用蓄电池为负载提供应急供电。同时UPS也具有改善电网电力质量的作用。我国UPS市场需求巨大，每年UPS的市场销售量大约在60亿元人民币。除了电信、金融等行业对UPS的需求居高不下之外，制造业、交通业、能源业对于UPS的需求量呈现上升趋势。本文介绍了UPS逆变电源的组成，分析了各部分的作用及其工作原理，研究了实现UPS逆变控制的关键技术。在此基础上，设计了基于DSP的UPS逆变控制系统，提出了一套融合软硬件的适用于UPS逆变电源的数字化精准控制方案。UPS逆变电源的控制系统的硬件电路设计采用TI公司的32位TMS320F2808作为逆变控制信号和驱动控制信号产生的主芯片，结合Altera公司的EPM240T100C高性能低功耗CPLD做接口扩展和相位变换。本文在Altium Designer软件环境下绘制电路原理图和PCB。在电路板设计中加入了各种抗干扰措施，提升了系统的稳定性。软件设计分别对DSP和CPLD进行编程。DSP输出SPWM波和可控硅整流信号，同时采集系统输入输出环节中的模拟量以监控系统运行状态。CPLD对DSP的输出信号进行相位变换。控制系统的软件最终实现了系统软肩动、驱动控制波形输出、模拟信号采集和系统保护。在完成UPS逆变电源控制系统的软硬件设计的基础上，本文将控制系统和UPS整机进行联合调试，记录了开环和闭环状态下的波形。调试结果表明，在本文设计的UPS逆变电源控制系统的协调下，可以使得UPS整机正常工作，IGBT驱动信号和可控硅控制信号正常，输出信号可以精确地跟踪市电频率，并且保持相位一致，同时输出电压抑制了输入电压中的高次谐波，改善了电网的质量。本文设计的UPS逆变电源控制系统具有普遍性，电路板既可以用于三相输入三相输出的UPS，也可以用于三相输入单相输出的UPS，只需在软件上稍作改动即可。控制系统本身不受UPS功率的限制，对于大功率和小功率UPS都可适用。关键词： TMS320F2808，正弦脉宽调制SPWM，数字化精准控制，功率型逆变电源，电力电子系统ABSTRACTUPS(Uninterrupted Power Supply)is an electrical equipment that can provide emergent power supply by use of storage battery when power failure. In addition, UPS can improve the quality of mains power supply Our country has large demand for UPS. The annual sales of UPS reach to 6 billion yuan. The demand is continuously large in the field of telecommunication and finance and begins to rise in the field of manufacturing, transportation and energy source.This dissertation introduces the structure of UPS, analyzes the function and operation principle of each part of UPS and studies the key technique for UPS inversion contro1. The UPS inversion control system based on DSP is put forward. The system is combined with hardware design and software design and is suitable for digital accurate contro1.In terms of the hardware design of UPS inversion control system, TMS320F2808，the 32-bit DSP manufactured by TI, is used to control inverter and generate drive signal for IGBT and SCR. EPM240T100C, the high performance and low power consumption manufactured by Altera，is used for interface extension and phase shift of drive signal. The schematics and printed circuit board are designed in the environment of Altium Designer. Anti-interference methods are adopted to enhance system stability.The software design focuses on programming for DSP and CPLD. DSP generates SPWM signal and SCR rectification signal, samples analog parameter of input and output to monitor system state. CPLD shifts the signal generated by DSP. The software achieves soft start, drive signal generation, analog parameter acquisition and system protection.After hardware design and software design, the control board is joint-tested with UPS. The waveform is recorded in the state of open-loop and close-loop. The result shows that under the coordination of UPS inversion control system designed in this dissertation, IGBT drive signal and SCR control signal can be correctly generated so that UPS can work normally. The output signal can accurately trace the frequency of mains power supply, keeping the phase consistent, Whats more, the output signal improves the quality of mains power supply by reducing high harmonic wave.The UPS inversion control system designed in this dissertation is general to various types of UPS. The control board can be used in both three-phase-input three-phase-output UPS and three-phase-input one-phase-output UPS, while the software should be modified only a little. The control system is not restricted by the power of UPS and can be applicable for both large-power UPS and small-power UPS.KEY WORD：SPWM，TMS320F2808，Digital Accurate Control，Large-Power Inverter，Power Electronics System目 录1 绪论11.1 选题的背景和意义11.2 UPS逆变电源的分类11.3 UPS逆变电源的发展趋势和数字化控制的意义51.4 本文的研究目标和内容安排62 三相在线式UPS的系统结构82.1 在线式UPS的组成部分82.2 在线式UPS的工作原理102.3 键技技术112.3.1 SPWM正弦脉冲宽度调制112.3.2 三相可控硅整流142.4 本章小结163 UPS逆变电源控制系统的硬件设计173.1 TMS320F2808简介173.2 系统整体电路设计及资源分分配193.3 单元电路设计213.3.1 电源电路213.3.2 外围时钟电路233.3.3 JTAG边界扫描243.3.4 SCI串口通信接口253.3.5 ADC采样信号接口273.3.6 CPLD相关电路283.4 PCB电路板设计293.5 本章小结304 UPS逆变电源控制系统的软件设计314.1 系统软件的总体设计324.2 系统初始化模块324.3 软启动模块344.4 输出波形控制334.4.1 SPWM脉冲334.4.2 整流控制信号344.5 ADC采样和系统监控模块354.6 本章小结355 系统调试365.1 开环调试365.2 闭环调试375.3 本章小结406 总结和展望41参考文献43附录44致谢471 绪论1.1 选题的背景和意义随着信息科技和电了电力技术的迅猛发展，各式各样的用电设备层出不穷，而绝大多数用电设备是非线性负载，它们从电网获取的电流和电压波形不一致，因此给电网带来的极大的谐波危害，造成供电质量愈来愈差。在一些重要公用事业单位，诸如医院、机场、高架、隧道银行等，对供电质量的要求越来越高。还有些特殊的电力设备，比如服务器、数据中心、通信基站等，不仅要求365x24连续供电，还对电源信号的电压、幅度、频率等参数提出了精准的要求，以确保设备的正常运行。UPS(Uninterruptible power supply)正是在这种背景下应运而生。UPS逆变电源是一种电力设备，当输入电源，尤其是电网供电出现故障时，为负载提供应急供电。UPS与应急电力设备、备用电源的区别在于UPS在电源故障发生的同一时刻或者几乎同一时刻为负载供电。对于小功率负载，UPS利用挂载的电池和相关电了电路产生电源，对于大功率负载，UPS使用内燃机发生器和调速轮发电。一般来说，UPS的蓄电池可以维持UPS在市电掉电情况下继续工作5-15分钟，但在这段时间内换上备用发电机或是关闭用电设备已经足够充裕了1。在UPS系统中，结合高质量的逆变器和精准的数字控制技术，UPS在某些程度上也解决了市电电网中存在的种种问题，例如电压浪涌、尖峰电压、欠压、频率不稳定、谐波干扰等。在我国，UPS的需求量不断攀升，UPS的应用范围也越来越广泛。根据相关统计，在2007年和2008年中，中国UPS电源市场的总体销售额分别达到了60亿元、655亿元2。从使用UPS的行业分布来看，除电信、金融、通信等行业依旧规模巨大之外，一些以往在市场上份额不大的行业，例如制造业、交通业、能源业等行业，对UPS的需求量呈现逐年增加的趋势3。特别是一些中小型企业的大规模崛起，带动了UPS的市场进一步繁荣。2008奥运会的举办推动了UPS的发展。尽管金融危机一度使得UPS的生产和销售规模下滑，但是UPS的生产企业通过融资、自身的技术创新和管理改革等手段，从容面对，把对市场的影响降到最低。1.2 UPS逆变电源的分类UPS逆变电源的分类方式有很多，按照工作原理分，有动态式和静态式；按照输入输出方式分，有单相输入、单相输出，三相输入、单相输出，三相输入、二相输出；按照功率大小分，有小功率型(5kVA以下)，中功率型(5kVA30kVA)，大功率型(30kVA以上)4。在国际电工委员会(IEC，International Electrotechnical Commission)于1999年制定标准IEC62040中，根据UPS不同的结构和性能，把UPS分成3类：被动后备式，在线互动式利双转换式5。(1) 被动后备式(Passive Standby)被动后备式UPS是最基本的不间断电源形式。在这种形式下，市电直接连接到用电设备，在市电正常的情况下，用电设备的供电由市电直接提供，充电电路为蓄电池充电。当市电降低到UPS预先设定的阈值时，被动后备式UPS开启DC-AC逆变器，逆变器由内部蓄电池组供电。然后UPS调节输出端的开关，将用电设备的供电由市电直接供电改成了DC-AC逆变器的输出供电。这一转换过程的时间通常是几十个毫秒，时问长短取决于UPS对于市电供电不足的反应快慢。图1.1(a)和图1.1(b)分别表明了被动后备式UPS在市电正常情况下和市电过压、欠压及功率不足情况下的工作原理。(2) 在线互动式(Line. Interactive)输入电压的大小，通过增加或者减少耦合线圈的圈数，提高或者降低变压器的输出电在线互动式UPS的工作原理和被动后备式UPS的工作原理大致相同，但前者比后者增加了多接头电压可调式自藕变压器，如图1.2(a)和图1.2(b)所示。这种变压器是一种特殊的电力变压器，它可以根据压。充电器蓄电池组逆变器市电输入输出到用电设备(a) 市电正常时被动后备式UPS的工作原理图充电器蓄电池组逆变器市电输入输出到用电设备(b)过压、欠压和功率不足时被动后备式UPS的工作原理图图1.1 被动后备式UPS的工作原理图充电器蓄电池组逆变器市电输入输出到用电设备多接头电压可调式自耦变电器(a) 市电正常或稍有波动时在线互动式UPS的工作原理图充电器蓄电池组逆变器市电输入输出到用电设备多接头电压可调式自耦变电器(b)市电大幅波动时在线互动式UPS的工作原理图图1.2 在线互动式UPS的工作原理图在线互动式UPS允许输入电压在小范围内波动，无论电压偏高还是偏低，只要在变压器允许的范围之内，UPS就不会切换成蓄电池逆变供电，以节省有限的蓄电池能量。系统通过自动改变输入电压的接头补偿输入电压的偏差。（3）转换式(Double Conversion)双转换式UPS又称为在线式(Online)UPS，之所以称为在线式，是因为无沦市电质量如何，用电设备的供电都要经过逆变器，也就是说，逆变器始终处于工作状态，如图1.3所示。双转换指的是整流和逆变，即电网电压经过了交流到直流，再从直流到交流的两次变换。即使在市电电网完全正常的情况下，整流器的输出电压商接驱动逆变器。双转换式UPS增加了旁路电路，如果系统出现故障时，可将输出端切换到旁路供电，便于系统的检修而不影响用电设备的供电。双转换式UPS通常用于要求电气隔离的环境和对功率浮动敏感的设备。双转换式UPS的功率大到几十千瓦，小至几百瓦，可以满足各种应用的需要。双转换式UPS的价格比较昂贵，常用于工业设备、数据中心等电力环境嘈杂的大型负载。双转换式UPS的蓄电池组始终和逆变器相连接，以至于不需要转换开关。如果市电电网供电不足，蓄电池组可以维持电压的稳定性，这时候整流器不起作用。当电压恢复时，整流器输出电压重新驱动给逆变器，市电通过充电器给蓄电池充电。双转换式UPS经过AC-DC和DC-AC两次变换之后，在输入电网和电器设备间树立了一道隔离护栏，使得电器设备不受电网电压波动的影响。与被动后备式利在线互动式相比，双转换式有效的改变了电网质量不稳的问题，不论输入信号如何，都可以根据需求改变输出信号的幅度和频率。充电器蓄电池组市电输入输出到用电设备逆变器旁路整流器图1.3 双转换式UPS结构图1.3 UPS逆变电源的发展趋势和数字化控制的意义UPS逆变电源正朝着高频化、冗余并联化、绿色化和智能化的方向发展678。(1) 高频化随着半导体技术的迅猛发展，UPS的功率开关器件经历了从可控硅，大功率场效应管，到IGBT的演变。开关器件的更新换代，使得器件转换时间不断缩短，器件承载的电流强度不断增加。IGBT可以使切换速度达到50kHz，从而实现了UPS电源的高频化。(2) 冗余并联化UPS的一个发展方向就是并联，多台UPS逆变电源并联运行给负载供电。UPS逆变电源并联主要应用于小功率的UPS逆变电源和大功率用电设备。多台UPS并联工作，既可以随意配置UPS的总功率，也提高了系统的可靠性。即使有一台UPS机器发生故障，其他UPS同样可以保证负载的正常运作。(3) 绿色化UPS逆变电源除了为供电设备提供应急供电之外，也有效地改善了负载供电质量。输入端高效的滤波电路和输入功率因数校正电路，有效地抑制了电路本身的谐波信号，改善电网电力污染。(4) 智能化微处理器的广泛应用推动了UPS智能化的进程。将微处理器应用在UPS逆变电源中，为UPS提供了很多智能化的监控和检测，例如实时监控、故障处理、远程遥控等。这些智能化的理念更加丰富和完善了UPS的功能。传统的UPS控制电路采用模拟电路为主的元器件，存在以下不足之处；1 模拟电路多采用分立元件，电路板的设计和制作的难度较大，电路制作的成本较高。2 模拟器件容易产生老化，相同器件一致性差，器件的性能容易随着温度的变化而变化。3 模拟集成芯片虽然可以帮助降低电路设计的复杂程度，但需要依靠外接电阻电容等元器件实现环路控制，而这些元器件的不稳定性会影响环路控制的精准度和电路的性能。4 以模拟器件为主的电路需要调整参数。本文采用TI高性能数字信号处理芯片TMS320F2808作为UPS逆变电源反馈控制处理器，使得逆变控制系统运算速度快，外围辅助电路少，算法控制精准，系统集成度高。采用高性能DSP设计电路的优越性体现在以下几个方面；1 系统设计方便。可以在DSP中植入逆变控制算法，高效智能的控制算法取代了原先繁杂的硬件模拟电路。系统升级也十分方便，可以在线调试，在线更新DSP算法，而不用修改外围电路。2 输出信号质量稳定。由于采用了DSP作为UPS的系统控制单元，实时采集逆变之后的电压幅度、相位、频率等信息，根据控制算法调整SPWM波形的参数，使得输出电压波动范围小，波形失真度低。3DSP通过ADC接口与系统相连，采集系统电压、电流、相位等参数，通过GPIO和PWM发出控制信号，控制开关器件，维持系统运作。4 系统维护方便。可以把系统监控模块嵌入在DSP中，一旦系统出现问题，可以记录下运行出错时系统的各种信息，方便维护人员排查检修。5 通信接口丰富，易于联机。DSP芯片自带了多种通信接口，容易实现人机交互界面，也可以实现多个设备的联机监控和调试，易于实现UPS网络化运行。1.4 本文的研究目标和内容安排本文分析了UPS的整体结构、组成部分以及逆变控制模块实现的关键技术，对UPS逆变控制系统进行了硬件电路设计和软件设计。本文的内容安排如下：第一章 绪论简要介绍UPS的分类、发展趋势、项目研究的背景和意义，提出了基于DSP的数字化UPS逆变电源的控制方案。第二章 三相在线式UPS的系统结构介绍了在线式UPS的基本组成部分，讨论了每个部分的功能和作用。在此基础上分析了在线式UPS的工作原理以及逆变控制过程中的关键技术。第三章 UPS逆变电源控制系统的硬件设计设计了基于DSP的在线式UPS逆变控制系统的硬件电路，采用TMS320F2808作为主控芯片，利用其丰富的外围接口和高性能的32位运算能力，结合EPM240T100C做接口扩展和相位变换。文中详细介绍了电源电路、时钟电路、SCI通信电路、ADC采样保护电路等单元电路模块，并在Altium Designer下完成了原理图设计和PCB电路板设计。第四章 UPS逆变电源控制系统的软件设计从UPS软件的功能入手，把UPS逆变控制的软件系统分成初始化模块、软启动模块、输出波形控制模块、ADC采样模块以及保护和监控模块。文中详细分析了各个模块的实现方法和功能，在Code Composer Studio和Quartus II环境下对DSP和CPLD进行编程。第五章 系统调试给出了在开环和闭环工作模式下的系统输入输出的关键点波形，IGBT驱动控制信号，可控硅驱动控制信号，软启动过程示意图等。调试结果证明，在本文设计的UPS逆变电源控制系统的协调下， UPS整机正常工作，输出信号精确地跟踪市电频率，保持相位一致，并改善了电网的质量。第六章总结和展望对UPS逆变控制系统的软硬件设计进行总结，并提出进一步的研究方向。2 三相在线式UPS的系统结构2.1 在线式UPS的组成部分在线式UPS逆变电源一般包含以下组成部分：输入整流滤波电路，功率因数校正电路，蓄电池组、充电电路、逆变电路、静态开关电路、人机交互、微控制器。在线式UPS的系统框图如图2.1所示12。输入功率因数校正电路负载转换开关市电逆变滤波整流PWM通道DSP通信接口I/O通道ADC通道充电器蓄电池组电网电压电流频率逆变电压电流频率电池电压电流人机界面图2.1 UPS系统框图 (1)输入整流滤波电路在线式UPS的整流电路，是将输入的交流电转换成直流电，为下一步逆变做准备。同时，整流之后的直流电经过降压处理还可以为蓄电池组充电。整流的方式有两种，一种是利用可控硅和大功率二极管作为整流器件，有半桥整流、全桥整流、6脉冲整流、12脉冲整流等方式。另一种是采用隔离变压器，把市电降压之后再用二极管桥式整流。前者常用于大功率UPS，后者用于小功率UPS。整流之后的电信号只是一个带有波纹的直流信号，除了直流成分以外，还有交流成分。滤波电路可以抑制整流之后的交流信号，将带有波纹的直流信号变成平滑的直流信号。常用的滤波电路有RC滤波，LC滤波等。(2) 功率因数校正电路功率因数PF(Power Factor)指的是交流输入有功功率P和视在功率S的比值，即： 在UPS系统中，交流输入信号经过整流后，直接加到滤波电容和蓄电池两端。如果交流输入信号的电压幅度高于滤波电容两端的电压时，滤波电容开始充电。这就在电容器和充电器间形成了脉冲电流，导致了高次谐波的形成，使得功率因数下降，对电网造成干扰。功率因数校正电路就是为了提高系统输入端的功率因数，抑制高次谐波对电网的干扰，使得电网输入电流和输入电压接近同相位12。（3）蓄电池组蓄电池组作为最为常用的储能装置，广泛应用在UPS中。在市电正常时，通过直流电对蓄电池组充电，将电能转换成化学能。在市电中断时，蓄电池为UPS提供应急能源，将存储的化学能转换成电能。当UPS正常工作时，蓄电池组是按照连续浮充的，整流器和蓄电池组并联工作。逆变电路的输入直流信号是由整流器供给，同时，整流器也供给一部分电流到蓄电池组，作为电池放电消耗的补偿。除此之外，浮充充电的方式还可以改善UPS的瞬态响应。如果UPS的负载电流在短时间内增加，蓄电池组可以提供很大的放电电流。(4) 充电电路UPS的充电分为两个阶段，在充电初期采用恒流充电的方式，当蓄电池组的电压达到浮充电压之后，充电器改成恒压充电的方式。充电电路有采用开关器件的，也有采用可控硅整流器件的，这取决于UPS的功率。充电方式的切换是由控制芯片完成的。控制芯片在充电过程中检测两个物理量：电池电压和电池电流。通常，充电器的工作式独立于逆变器的，只要UPS的电源接通，充电电路就处于工作状态，开始为蓄电池充电。(5) 逆变电路逆变是把整流之后的直流电转换成交流电，传输给负载提供电源。逆变之后的交流电消除了市电的尖峰、浪涌、谐波干扰等不稳定因素。逆变的丰要器件是IGBT大功率器件，微处理器通过SPWM波驱动IGBT，输出交流信号，经过滤波之后供给负载使用。(6) 静态开关静态开关作为旁路供电和逆变供电的切换装置，不仅起到了转换的作用，还对负载和逆变器起到了有效的保护作用。如果UPS输出过载，那么静态开关为了保护逆变器，会将负载供电切换成市电供电。如果逆变器出现故障时，为了保护负载，静态开关也会将负载供电切换到市电。小功率UPS采用继电器作为静态开关，本文采用的是可控硅作为静态开关，一对反向并联的可控硅就可以作为转换器件使用，转换时间为微妙级。(7) 微处理器微处理器是UPS的核心，在整个UPS中起到了控制的作用，是整部机器的控中心。本文采用的是TI生产的高性能DSP芯片TMS320F2808作为UPS的控制单元，DSP的ePMW端口输出SPWM波驱动IGBT，ADC通道对系统的各种参量进行采样，包括输入信号、反馈信号的电压、电流和频率，电池的充电电压和充电电流等参数。DSP的I/O通道作为各种开关量的控制端，根据系统的运行状况实时地驱动系统内部各个开关，调节系统正常运作。DSP内部的通信单元作为与人机交互界面的通信接口，方便用户更直观的使用UPS设备。(8) 人机交互人机交互作为可视化界面，方便用户操作UPS设备，实时获取UPS的工作状态，设定UPS的工作模式。本文界面采用大屏幕触摸屏，图形化的操作界面，用户可以从中了解到UPS设备运行的历史记录和日志13。2.2 在线式UPS的工作原理在线式UPS的开机是一个软启动过程，输出信号平稳变大，避免由于输出信号瞬间变化过大而导致负载损坏或者输出异常。软启动过程结束后，系统开始正常工作。UPS正常工作时有以下几种情况：(1) 当市电正常时，逆变器的工作电压由市电经过整流滤波后提供，DSP控制电路产生SPWM信号驱动逆变器，将直流信号转换成纯净的正弦波信号输出给负载。同时，市电经过整流和滤波之后，送至蓄电池充电电路，给蓄电池充电，蓄电池电压不提供给逆变器。市电经过整流、逆变、滤波之后，输出波形稳定的高质量正弦波到负载。DSP控制器不断地采集输入和输出端电压的幅度和频率，并根据算法实时修正输出信号的波形。(2) 当市电发生故障时(市电超过或者低于系统设定的阈值)，逆变器仍然工作，但是逆变器的工作电压由蓄电池提供。UPS将蓄电池的电压转换成正弦信号输出，负载端用电的能量全部来自于蓄电池存储的能量。(3) 逆变器发生故障时，或者由于某些原因输出过载，系统将切换到旁路工作模式，这时，负载由市电直接供电。通常情况下，逆变器出现故障时，系统会发出警报，提醒管理人员即时修复。总的来说，对于在线式UPS，除了逆变器发生故障之外，输出端的信号总是由逆变器提供。在市电出现故障时，系统迅速将逆变器的供电转换成蓄电池供电，UPS的输出不会有任何间断。在UPS的输出端，以及整流器之后，通常都会接滤波电路，这样设计可以最大限度地降低来自于市电的干扰，而逆变器的开关信号是由控制电路发出的，控制电路又在根据输入输出信号的幅度和相位不断调整逆变器驱动信号的参数，所以在线式UPS可以输出高质量的稳定的正弦信号，确保负载工作电源稳定。2.3 键技技术2.3.1 SPWM正弦脉冲宽度调制对于逆变器的输出电压，基本要求就是输出电压的基波分量大小可控，逆变器输出电压波形的谐波分量尽可能小。本文采用正弦脉冲宽度调制技术(SPWM)，通过调节SPWM的控制信号的频率和脉冲宽度，达到调节输出信号的基波电压幅度，改善输出电压的质量。这种调控方法属于逆变器通过改变开关信号自身调节其输出波形的方法，是一种高效的控制手段。经典的采样控制理论中，有一条很重要的原理：冲量等效原理。大小、波形不同的窄脉冲变量，例如电压，作用于惯性系统(例如电路)时，只要他们的冲量，即变量对时间的积分相等，其作用效果相同，形成的电流响应也相同14。这就是SPWM技术的理论基础。也就是说，只要对逆变电路的开关器件进行适时的控制，在适当的时候开通或者断开逆变电路的开关，每个时间段内的电压脉冲足够窄，输出的脉冲波形可以与正弦波的效果相同。本文的UPS系统的三相逆变器由三个单相的逆变器组成。所以在研究逆变技术的时候，仅以单相逆变为例，说明SPWM的基本原理和实现方法。单相逆变电路如图2.2所示。其中，全控型开关器件和同时导通，和同时导通。和的驱动信号互补，和的驱动信号互补，、周期性地变通断状态。假设开关信号变化周期为输出电压基波频率为，角频率。负 载图2.2 单相逆变IU路图2.3 用SPWM波等效正弦波逆变器的理想输出电压的波形是正弦波，如图2-3上图所示，。把正弦波的半个周期平均分成个相等的时间区域，这里假定，每个时间区域的时间间隔为，对应的相位宽度，第个时区的终点时间为，起点时间为，第个时区的中心点相位角为： （2-1）当时区数很大时，正弦波可以看作由个(正负半周各个)时间宽度相等但幅度不等的不连续脉冲电压、组成。图2-2中，逆变电路的输出电压只有三种可能性：、0和，输出电压的取值取决于开关器件的导通或截止状态。对图2-2中的四个开关器件进行适当的控制，就可以得到如图2-3所示的由多个脉冲组成的输出电压，正负半周各被分成个区域，每个区域的相位宽度为。每个时区有一个幅度为，时间宽度为，相位狂赌为的脉冲。如果要使是在该时间段内，脉冲波形对时间的积分和正弦电压对时间的积分相等。即： （2-2）利用三角公式化简得到： （2-3）把式(2-1)代入到式(2-3)中，得： （2-4）如果，正弦波在一个周期内被分成的区域数很多，即，那么； （2-5）则式(2-3)式可以写成如下形式： （2-6） （2-7）第七个脉冲波在时间区域五中的电压平均值为： (2-8)第k个脉冲波的占空比为： (2-9)由以上分析可知，逆变器在每个周期中，输出一个幅度为，时间宽度的脉冲电压。该脉冲电压的平均值为脉冲中心点位置角正弦波电压的瞬时值。也就是说，只要每个脉冲电压的平均值为该脉冲中心点处的正弦电压的瞬时值，那么脉冲电压组成的信号就和正弦信号等效1617。2.3.2 三相可控硅整流三相整流共有三种形式：不控整流、全控整流和半控整流18。本文采用的是三相桥式全控整流，采用晶闸管可控开关作为开关器件，由控制电路输出控制信号，控制可控硅的关断。开通可控硅需要同时满足两个条件：可控硅正向偏置，即阳极和阴极之间加正向电压；控制极施加触发电流脉冲14。本系统采用的是6脉冲整流，电路结构如图2.4所示，由6个可控硅控制三相交流电路的关断，在输出端输出直流信号。同时，系统还预留了6路控制信号，可供日后实现12脉冲整流扩展19。图2.4三相全控整流电路在图2-4中，上管、共阴，下管、共阳。负载端输出的整流电压为。假设三相输入交流电压的相电压为，峰峰值，线电压有效值，线电压的峰峰值为。交流电压的频率，角频率，三相交流相电压的表达式为： （2-10）则线电压： （2-11）三相相电压、和6个线电压、的波形分别如图2.5所示。图2.5(a)是三相电压，图2.5(b)表示的是开关管的开关时间，图2.5(c)是整流之后的线电压。三相桥式相控整流电路中，在上三管、和下三管、中，同时各只有一个开关管导通，导通是响应的线电压加载到负载上。容易得到图2.4的6个开关管在六个时区中的导通和关断情况，如表2.1所示。表2.1 三相桥式全控整流电路开关管工作情况时区IIIIIIIVVVI导通的共阴极上管导通的共阳极下管输出电压触发电流线电压，整流电压相电压波形图2.5三相桥式全控整流2.4 本章小结本文对在线式UPS系统的工作原理的组成部分：输入整流滤波电路，功率因数校正电路，蓄电池组、充电电路、逆变电路、静态开关电路、人机交互、微控制器。对这些组成部分做了简要功能说明，并引出了本文的研究重点：在线式UPS系统的逆变反馈控制系统的设计。此外，本章总结了UPS逆变控制系统的几个重要技术：SPWM正弦脉冲宽度调制、三相可控硅整流，这些技术是软件设计中控制信号产生的理论依据。3 UPS逆变电源控制系统的硬件设计3.1 TMS320F2808简介图3.1 主芯片TMS320F2808从上世纪末至今，数字信号处理器(Digital Signal Processors，DSP)在短短的几十年间飞速发展，在电子通信、航空航天、医疗器械等领域得到了广泛的应用。本文选用的主芯片TMS320F2808是TI公司推出的一款高性能，高集成度和高性价比的定点32位DSP芯片，最高工作频率100MHz。TMS320F2808内部集成了众多的资源：内部Flash存储器和SARAM存储器；外设中断扩展模块；SPI，SCI和I2C通信接口，CAN总线模块；16通道12位高速ADC，转换速率可以达到6.25纳秒；增强型控制外设：PWM输出，事件捕获器，定时计数器，看门狗和大量GPIO可供开发利用。TMS320F2808采用高效的C/C+编译引擎，用户不仅可以使用高级语言开发代码，还可以把各种数学上的算法用C/C+语言描述。F2808即可以做系统控制，还可以做复杂的数学算法。这种特性使得在很多场合不需要用第二块处理器来处理算法和数学运算，F2808本身就可以方便的处理高精度数值运算。除此之外，快速的中断响应和自动保存关键寄存器信息的能力，让DSP可以同时处理多个事件。F2808有8级流水线，确保程序高速执行。TMS320F2808存储器总线结构包含程序读总线，数据读总线，数据写总线。程序读总线包含22位地址线和32位数据线。数据写总线和读总线包含32位宽地址线和32位宽数据线。32位宽的数据线使得DSP可以在一个周期内读取一条32位的指令。这种多总线结构通常称为哈佛结构，使得F2808在单个周期内完成取指令、读数据或者写数据的操作。所有的连接在总线上的外设和存储器以存储器操作优先，优先级如下：数据写操作程序写操作数据读操作程序读操作取指令22。Flash存储器。F2808含有64k的嵌入式flash存储器。用户可以单独擦除、写入或者验证flash存储器，但是不允许把擦除、写入flash的命令存储在flash内执行。Flash存储器被映射到地址空间和数据空间，所以它既可以存放代码，也可以存放数据。16路12位ADC。ADC模块共有16通道，可配置成2个独立的8通道