基于DSP全数字控制应急电源设计

1、本文由【中文word文档库】 搜集整理。中文word文档库免费提供海量教学资料、行业资料、范文模板、应用文书、考试学习和社会经济等word文档基于DSP全数字控制应急电源设计 作者：夏超英天津大学 夏超英 许晓萍 余慧峰中国科学院电工研究所 李 峰 摘要：基于高性能数字信号处理器(DSP)设计了全数字控制的智能型应急电源。首先给出了该应急电源的主电路拓扑，详述了其工作原理。其次介绍了基于TMS320LF2407 DSP芯片的控制电路硬件设计，分析了充电和逆变管理的软件设计，给出了主程序流程图。最后给出该应急电源的实验波形。 关键词：不间断电源；充电；逆变器数字信号处理器 1 引言随着社会信息化

2、、现代化的发展，对供电可靠性的要求越来越高，大型建筑，如机场、车站、会展中心、体育馆、政府机构办公楼及高层建筑等，一旦供电系统突然发生故障而中断供电，将会破坏社会的正常生活秩序，甚至造成重大的政治影响和经济损失。然而，电力故障突发性强，往往不以人的意志为转移，因为无论供电部门管理多严格，电网设施多先进，断电也在所难免。因此就需要做到电源的不间断，即供电线路停电时由备用电源供电。 急电源又称EPS(Emergency Power System)，具有下述优点：电网有电时，处于静态，无噪音；供电时，噪音小于60dB。不需排烟和防震处理，具有节能、无公害、无火灾隐患的特点。自动切换，可实现无人值守。

3、电网供电与EPS电源供电相互切换时间均为0.10.25s。带载能力强。EPS适应于电感性、电容性、及综合性负载的设备，如电梯、水泵、风机、办公自动化设备、应急照明等。使用可靠。主机寿命长达20年以上。适应恶劣环境。可放置于地下室或配电室，也可紧靠应急负荷使用场所就地设置，以减少供电线路。 本文介绍一种基于DSP对应急电源的充电和逆变等过程进行控制的设计方案。此外，利用DSP和51单片机的串口进行通信，设计了界面友好的人机接口，用户可通过人机接口启动、停止电源，使电源进入强迫逆变状态，了解电源的工作状态、故障类型和输出电压、输出电流等参数。 2 应急电源工作原理图1示出应急电源的主回路电气原理图

4、。电路板上电以后，根据6号检测通道判断电网电压是否正常。 图中电池电压UH的检测点 VI1VI6IGBT 充电电流ic的检测点 KM1KM5继电器 逆变电流ib的检测点 逆变电压ub的检测点 电容电压uc的检测点 电网电压Us的检测点如果Us正常，系统先检测是否在逆变状态，若不在逆变状态，则要求外部主电路KM1吸合，KM5断开；若在逆变状态，则要先停止逆变，KM3，KM4断开，再要求外部主电路KM1吸合，KM5断开。同时 KM2吸合，负载开始由市电供电；认输入给变压器，变压器抽出两个抽头取出150V电压输入给单相整流桥ZL，ZL的输出端接有电容，使ZL的输出电压为输入电压的1.4倍，大约是21

5、0V左右，ZL输出的直流电通过电阻给电容C预充电，当Uc200V后，要求KM4闭合，由市电直接给C充电，C充满后由 DSP控制VI1(VI2常断)，经过电抗器和熔断器给电池充电。 如果Us不正常，即存在欠压或过压，则KM1， KM2，KM4断开，KM3，KM5闭合，由于在充电过程中 uc高于UH，所以需在蓄电池放电之前先对C放电，当uc接近UH时，KM4闭合，此时VI3VI6由DSP控制，负载由电源供电。检测点为ub检测点，ub的有效值U6100V时为正常电压；若不符合，需在软件中通过PID算法进行调整。检测点为ib检测点， ib30A时为过流故障状态。由此可见，该应急电源可通过DSP实时检测

6、 Us，实现自动切换，在市电异常时及时对负载供电。 3 DSP硬软件设计该电源的中心控制处理电路是以DSP为核心的控制系统，它由TMS320LF2407型DSP、采样电路、驱动电路、故障监测和处理电路、串口通信电路等组成。EPS电源的各种功能是在此基础上，通过软件编程实现的。软件主要完成检测各种模拟和数字输入量；对输入的信息进行运算和处理；充电管理和逆变控制；安时计算和串口通信等功能。 3.1 TMS320LF2407简介1 TMS320LF2407是美国TI公司推出的一种低价格、高性能的16位定点运算DSP，TMS320LF2407的性价比极高，目前已成为高档单片机的理想替代品，因其内部集成

7、的PWM模块，使其在电机控制、仪器仪表、电力电子、工业控制等领域得到了广泛应用。TMS320LF2407的主要性能有:晶振为30MHz时的指令周期为33ns。可扩展的外部存储器总共为192K。其中64K为程序存储器，64K为数据存储器，64K为I/O寻址空间。丰富的片内资源。含10位A/D转换模块、控制器局域网络(CAN)2.0B模块、串行通信接口、16位的串行外设接口模块等。有两个事件管理器模块EVA和EVB，每个含两个 16位通用定时器和8个16位的PWM通道。强大的指令集。有单周期乘/加旨令，块移动、多条件转移和调用等指令。遵循IEEEll49.1标准的片内 JTAG仿真逻辑。 3.2

8、硬件设计2 硬件电路采用以DSP芯片TMS320LF 2407 为核心的设计。它包括： (1)电压电流采样 应急电源对电压的采样是通过差分电路实现的。图2示出电压采样的差分电路。对电流的采样是通过霍尔电流传感器经过滤波、电平调整后实现的。本设计中，交流量需计算其有效值，是通过对瞬时采样值的整流、滤波实现的。图2中 R1R8=2M R9=R10=100k R11=10k C1C3=0.01F (2)IGBT驱动 DSP对充电控制采用EVA模块的定时器1的PWM比较输出，对逆变控制采用 EVA模块的比较单元1和比较单元2的比较输出。 IGBT驱动通过专用驱动芯片EXB840实现。 EXB840是混

9、合IC，内部具有光耦信号隔离电路和过流保护电路，能驱动高达150A/600V的IGBT和高达75A/1.2kV的IGBT，最高开关频率达40kHz。 (3)一般I/O信号的处理 DSP通过通用I/O口采集和输出各种信号。消防、开机、强迫逆变、停止、备用等输入信号，通过光电隔离电路送至I/O口。继电器、接触器的控制信号由I/O口经辅助继电器输出。 (4)故障监测 该应急电源对电池过压欠压、逆变器过压、逆变器过流、IGBT故障等严重故障，专门设计了硬件锁死电路，系统上电时，其被清零，故障到来时，将其置位，同时封锁PWM输出，引发故障中断，在故障中断程序中检测故障类型。对一般故障则采用查询方式。 (

10、5)串口通信 DSP将采样电路采集的ic，UH， ih，ub等参数以及监测到的故障类型、系统的工作状态通过异步串行口输出至人机接口单元。 3.3 软件设计该系统在主程序中检测Us，并置系统状态：充电状态为状态1，此时使能定时器1的比较输出，禁止其它PWM比较输出；逆变状态为状态2，此时禁止定时器1的比较输出，使能比较单元的 PWM1PWM4的比较输出。另外，还有一个状态0，作为状态1和状态2转换的中间状态，此时关闭所有的PWM输出通道。当Us正常时，若电源处在状态2，则需经状态0再进入状态1；同样，当Us异常时，若电源处在状态1，则需经状态0再进入状态2。当uH低于其最低放电电压时，电源即退出

11、运行，进入待机状态。图3示出主程序流程图。系统利用定时器每100s申请一次PWM中断，即调制频率为10kHz，在中断服务程序中，根据状态标志位判断是状态1，还是状态2，分别调用充电管理子程序和逆变管理子程序。在中断服务程序中还设置了安/时计算计数器和数据传输计数器，当计数到一定值后，分别设置安/时计算标志位和数据传输标志位(安/时计算计数到10000，即1s计算一次安/时，数据传输计数到200，即20ms传输一次数据)，在主程序中根据标志位判断是否调用安/时计算子程序和数据传输子程序。对蓄电池的充电采用恒流和恒压充电，即在充电的第一阶段实施均充，即由DSP控制以恒定的 5A电流给电池组充电。当

12、电池充到每节12.5V时，充电过程转为第二阶段的涓充状态，涓充电流的大小为0.5A；当电池组充电至每节13V后，系统进入浮充状态，浮充阶段采用恒压充电，即维持UH每节13V不变。逆变管理采用SPWM3技术，调制 频率为10kHz，输出电压u0采用电压有效值反馈，其中给定电压逐步增加，u0采样后用软件完成整流滤波，由DSP通过PID算法调节。 4 实验结果图4示出市电正常供电情况下瞬间掉电时，逆变输出端经过滤波后测得的正弦波。由图可知，应急电源启动后，输出频率为50Hz的正弦波，其幅值逐渐增大，在第4个周期后逐渐趋于稳定，这与逆变管理程序中给定电压的逐步增加相符。 5 结束语基于DSP芯片TMS320LF2407对应