基于DSP及FPGA的UPS設(shè)計(jì)

周春艷

（北方民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，寧夏 銀川750021）

傳統(tǒng)的UPS多采用模擬控制或與數(shù)字控制相結(jié)合的控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大，集成化程度低。隨著高速數(shù)字信號處理器（DSP）的出現(xiàn)，UPS電源性能大大提高。本文介紹的基于DSP及EDA技術(shù)相結(jié)合設(shè)計(jì)的UPS，進(jìn)一步簡化了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，可靠性大大提高，維護(hù)方便，真正實(shí)現(xiàn)了智能化管理。

1 系統(tǒng)主電路

圖1為UPS主電路結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D，采用雙變換在線式結(jié)構(gòu)。當(dāng)市電正常時(shí)，一方面給蓄電池充電，一方面通過整流器給逆變器提供直流電源，逆變器的輸出給負(fù)載進(jìn)行供電；當(dāng)市電掉電時(shí)，由電池通過逆變器向負(fù)載供電。旁路開關(guān)平時(shí)處在逆變輸出狀態(tài)，當(dāng)逆變電路發(fā)生故障時(shí)，旁路接通，由電網(wǎng)直接向負(fù)載供電。

圖1 線性擴(kuò)流框圖

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊

本設(shè)計(jì)采用T MS320LF2407 A作為主控芯片，它是TI公司專為UPS、電機(jī)控制等領(lǐng)域而設(shè)計(jì)的數(shù)字控制芯片，具有豐富的片內(nèi)外設(shè)，如事件管理器模塊、A／D轉(zhuǎn)換模塊、SPI、SCI和CAN通訊控制接口等，滿足UPS設(shè)計(jì)中采樣、PWM輸出控制、通訊等要求。同時(shí)，利用FPGA可編程器件設(shè)計(jì)了鍵盤電路，液晶顯示電路及保護(hù)電路等，系統(tǒng)總體框圖如圖2。

圖2 系統(tǒng)總體框圖

如圖2所示，本文用到的2407 A的資源包括模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ADC）對各路信號進(jìn)行采樣，事件管理器模塊輸出的PWM信號控制逆變器，并利用其捕捉單元對市電及逆變輸出電壓過零點(diǎn)進(jìn)行捕捉，利用軟件鎖相實(shí)現(xiàn)同步。數(shù)字輸入輸出模塊和FPGA進(jìn)行接口連接。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，F(xiàn)PGA采集故障信號，并產(chǎn)生故障保護(hù)中斷信號傳給DSP的PDPINT實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)保護(hù)。

2.2 采樣環(huán)節(jié)電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)需要對逆變輸出電壓、逆變輸出電流、市電電壓、市電電流、電池組電壓、電池組充放電電流進(jìn)行采樣，2407 A本身帶有的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊具有16個(gè)轉(zhuǎn)換通道，轉(zhuǎn)換精度為10位，滿足采樣要求。電壓檢測電路如圖3所示，主要由分壓電路，濾波電路和取反電路，限幅電路四部分組成。

圖3 電壓采樣電路

同時(shí)，還需對市電和逆變輸出的電流進(jìn)行采集，如圖4為電流采集電路。先將電流轉(zhuǎn)換成電壓，再進(jìn)行放大，取反，取絕對值，然后通過限幅后進(jìn)行A／D采集。

圖4 電流采樣電路

2.3 PWM信號驅(qū)動逆變開關(guān)

2407 A的事件管理器EVA可輸出16路PWM信號，可用于驅(qū)動功率器件IGBT。其中的捕捉單元可用于捕捉市電和逆變輸出電壓的邊沿信息，以實(shí)現(xiàn)軟件鎖相，由于PWM輸出信號驅(qū)動能力較弱，需經(jīng)電氣隔離放大后再去驅(qū)動IGBT。驅(qū)動電路如圖5。

圖5 驅(qū)動電路

3 鍵盤及顯示電路的設(shè)計(jì)

采用可編程邏輯器件可使系統(tǒng)的集成度更高，提高可靠性，提高運(yùn)行速度及靈活性。本設(shè)計(jì)的FPGA器件可采用ALTERA公司的EP1C6T144C6實(shí)現(xiàn)4×4鍵盤及LCD顯示器的接口，功能框圖如圖6。

圖6 外設(shè)控制框圖

4 結(jié)束語

相對于模擬設(shè)計(jì)，基于DSP的全數(shù)字UPS大大簡化了硬件電路的設(shè)計(jì)，增加了控制的靈活性。同時(shí)加上EDA技術(shù)，進(jìn)一步簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，增加可靠性，使系統(tǒng)的性能大大提高。