基于TMS320LF2407的EPS電源系統(tǒng)的設(shè)計*

黃 丹，宋 巍，蔣曉明，劉曉光，王 攀

（1.廣東省自動化研究所，廣東廣州 510070；2.空軍駐廣州地區(qū)軍事代表室，廣東廣州 510410）

0 引言

隨著社會的發(fā)展，各種信息化的用電設(shè)備對電力的依賴程度越來越大，并且對電源質(zhì)量的要求也越來越高。供電系統(tǒng)的故障，瞬間的停電不僅會給人們的正常生活帶來極大不便，甚至還會給國家造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。2003年8月14日下午美國東北部、中西部和加拿大南部發(fā)生大面積停電，持續(xù)了29個小時的大面積停電給5000萬美國人和加拿大人的生活帶來極大不便，并造成300億美元以上的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失[1]。EPS（Emergency Power Supply），人們稱之為應(yīng)急電源，作為獨(dú)立于電網(wǎng)之外的后備電源是最有效解決停電等電力故障的有效途徑之一，在事故或者緊急狀況發(fā)生時，能夠確保提供所需的應(yīng)急電力，為人們的生活和生產(chǎn)的安全提供可靠保障。

本文設(shè)計了一種基于TMS320LF2407的EPS電源系統(tǒng)，其總體設(shè)計方案及構(gòu)成如圖1所示。EPS電源主要由市電檢測模塊、蓄電池組及其監(jiān)測模塊、充電器、逆變器、DSP控制器、切換開關(guān)、信號采樣及調(diào)理模塊等組成。

圖1 EPS電源系統(tǒng)框圖

1 EPS電源的總體設(shè)計及工作原理

當(dāng)市電電網(wǎng)供電正常時，DSP控制系統(tǒng)通過I/O控制接口控制切換開關(guān)2和切換開關(guān)3斷開，控制切換開關(guān)1接通，直接為用電負(fù)載提供電源，同時通過電池充電器向蓄電池組充電，逆變器處于停機(jī)狀態(tài)；當(dāng)市電檢測模塊檢測到無市電輸入或市電出現(xiàn)異常等故障時，DSP控制系統(tǒng)的I/O控制接口控制切換開關(guān)1斷開，切換開關(guān)2和切換開關(guān)3導(dǎo)通為用電負(fù)載提供電源；此時充電器停止工作，蓄電池組為逆變器供電通過逆變器為用電負(fù)載提供所需的負(fù)載電壓，從而保證了用電負(fù)載的電力供應(yīng)不中斷；當(dāng)市電恢復(fù)正常時，控制電路控制切換為市電導(dǎo)通，逆變器輸出斷開并停止工作。

圖2 交流輸出霍爾采樣電路

2 EPS電源控制系統(tǒng)的設(shè)計

本文設(shè)計的EPS電源的控制系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，主要完成對切換開關(guān)的切換控制，對蓄電池組的充放電的檢測和控制，對充電器的PWM控制，對逆變器的溫度、電流、電壓信號采樣及調(diào)理、SPWM控制、以及對人機(jī)界面輸入及顯示的控制，本文主要介紹針對逆變環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)的設(shè)計。

2.1 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

本文設(shè)計的EPS電源逆變器的控制系統(tǒng)硬件設(shè)計是以TMS320LF2407為核心控制器，主要由信號采樣及調(diào)理電路、I/O控制電路、IGBT驅(qū)動電路、通信接口電路等組成。

（1）采樣及信號調(diào)理電路和市電檢測電路本文分別對市電輸入的電壓以及逆變器的交流輸出電壓、輸出電流進(jìn)行檢測。市電電壓和逆變輸出電壓的是用霍爾電壓傳感器進(jìn)行檢測，逆變輸出電流采用霍爾電流傳感器檢測，檢測到的信號再經(jīng)過運(yùn)算放大器的調(diào)理、濾波電路、限幅等環(huán)節(jié)，分別把電壓和電流的采樣值調(diào)理0～3.3 V的電壓信號輸入給DSP的AD接口。DSP根據(jù)所檢測到的市電電壓值來控制3個切換開關(guān)的狀態(tài)，檢測到的逆變器交流輸出電壓值參與PID運(yùn)算來控制逆變器模塊的SPWM的信號，通過檢測交流電流值以控制逆變器工作過載時做出保護(hù)措施。如圖2是本文設(shè)計的逆變環(huán)節(jié)的電壓的采樣及調(diào)理電路，電流采樣及調(diào)理與其相類似。

（2）I/O控制接口電路DSP的通用I/O口主要經(jīng)過光電耦合器的隔離和轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)EPS電源開機(jī)、充電、逆變、停止、備用等信號的輸入和輸出。

（3）IGBT驅(qū)動電路IGBT驅(qū)動采用專用模塊M57926AL及其外圍電路設(shè)計實(shí)現(xiàn)。M57962AL具有驅(qū)動能力好，功率大，保護(hù)性能好等特點(diǎn)，根據(jù)該模塊內(nèi)部的電流保護(hù)功能對其應(yīng)用電路進(jìn)行安全可靠設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)在短路、退飽和或過流時，實(shí)現(xiàn)隔離和保護(hù)功能。

圖3 應(yīng)急電源主程序流程圖

（4）通信接口電路采用了RS232串口通信，主要用于蓄電池監(jiān)控模塊信號的以及人機(jī)界面預(yù)設(shè)信號、故障信號、系統(tǒng)工作狀態(tài)信號等與DSP之間的傳輸。

2.2 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)的DSP程序完成工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換和輸出驅(qū)動信號，主要包括系統(tǒng)主程序和中斷子程序。

（1）主程序

主循環(huán)程序包括產(chǎn)生應(yīng)急電源的啟動信號，判斷市電電壓是否正常。市電如果正常，應(yīng)急電源處于蓄電池充電狀態(tài)，DSP系統(tǒng)轉(zhuǎn)入執(zhí)行蓄電池充電子程序；市電如果出現(xiàn)故障（包括電壓異常或者市電掉電），DSP就進(jìn)入應(yīng)急狀態(tài)逆變工作子程序，包括逆變子程序和中斷子程序等。并且切換開關(guān)2和切換開關(guān)3閉合，啟動蓄電池輸出，為負(fù)載提供不間斷的電力供應(yīng)。圖3為系統(tǒng)主程序流程圖。

圖4 PI控制程序算法流程圖

（2）PID控制及SPWM程序

逆變器的PID控制和DSP產(chǎn)生SPWM程序是本文設(shè)計的EPS電源的核心中斷子程序之一，也是實(shí)現(xiàn)EPS電源由蓄電池組直流供電通過逆變轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的50 Hz交流電輸出的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。它是將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制。在這種控制算法中，P能夠快速響應(yīng)控制作用，而I則對偏差進(jìn)行積累，能最終消除穩(wěn)態(tài)誤差，但是如果在整個調(diào)節(jié)過程中，P和I總是同時起作用則會不可避免帶來超調(diào)和退飽和，將可能導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩。因此，本文選擇使用了增量式的PI控制算法，并利用了遇限削弱的方法，即控制量一旦進(jìn)入飽和區(qū)范圍，則停止增大積分項(xiàng)的運(yùn)算而之執(zhí)行削弱積分項(xiàng)的運(yùn)算[2-3]。PI算法程序流程如圖4所示。

TMS320LF2407可以產(chǎn)生16路PWM輸出。SPWM波的實(shí)現(xiàn)是由三角波和正弦波相比較而得到的，由IGBT的驅(qū)動頻率得到的周期寄存器T3PR的值，設(shè)置DSP計數(shù)器的計算方式為連續(xù)增/減計數(shù)方式，由此得到所需的三角波載波。并設(shè)置周期中斷有效，當(dāng)周期中斷發(fā)生時，在中斷處理程序中用A/D采樣值與正弦參考值進(jìn)行PI調(diào)節(jié)后的值，來更新比較寄存器CMPR3的值，通用定時器的計數(shù)器T3CNT將與比較寄存器的值進(jìn)行比較，就得到了SPWM脈沖波。具體程序流程圖如圖5所示[4-5]。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

圖6示出了EPS電池供電是由逆變器輸出經(jīng)濾波后測得的220 V，50 Hz正弦波，由所示波形，本文設(shè)計的EPS電源應(yīng)急供電時能輸出與市電電壓和頻率基本相同的交流電壓，適應(yīng)市電出現(xiàn)故障時，應(yīng)急狀態(tài)下的電力供應(yīng)，具有較大的實(shí)用價值。

圖5 SPWM周期中斷子程序流程圖

圖6 EPS應(yīng)急供電波形

［1］周詳.人民網(wǎng)［EB／OL］.http：//www.people.com.cn/GB/paper68/9981/916184.html.2003-08-20.

［2］張宇河.計算機(jī)控制系統(tǒng)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，1996.

［3］陶永華.新型PID控制及其應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

［4］劉和平.TMS320LF240x DSP結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

［5］劉鳳君.現(xiàn)代逆變技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006.