嵌入式的在線式數字不間斷電源設計研究

丁犇

摘 要：雖說從現如今形式來看，我國也對DSP和UPS相關領域中進行研究，并在原有的基礎上取得了一定的成績。但這些改良方式無非是讓DPS承擔了大量任務，在軟件上更是需要多個中斷程序進行全面協調，很大程度上影響了計算機的運行速度。對此，該文結合實際情況，首先闡述了整個系統方案和相關技術指標，對硬件電路相關設計方案進行了全面介紹，并在原有的基礎之上，對系統控制軟件進行了相關設計，旨在對嵌入式在線式數字不間斷電源設計進行了全面研究。

關鍵詞：UPS FPGA DSP 大功率 數字化

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）05（a）-0026-02

在現如今，市面上的小型UPS很難做到大功率運行，這主要是由于兩方面的原因所導致，（1）當前我國蓄電池技術非常有限。（2）雖說我國當前也是用單片機當做控制器，但因為受運算能力的限制，不能實現高質量供電，而且非常難以實現功能化與智能化。所以說，將DPS當做控制中心的時候，應該將其相關數據處理，控制調節方面的相關優勢進行全面突顯，最終將其優勢加以充分發揮。

1 整個系統方案和相關技術指標

1.1 UPS結構設計

UPS的輸出有兩種方式，當其出現異常或者超載的時候，在市電通過EMI的濾波以后，會直接穿過旁路進行負載供電，在正常情況下，市電經過EMI的濾波之后，會整個穿過整流-逆變的通路向負載進行供電，經過這樣一個過程，市電就會從交流轉變為直流再到交流電的過程，如果市電發生了異常，則會從蓄電池利用升電壓的方式，在逆變器中輸出電流，實現對負載進行供電，因為在其中運用了數字控制技術的關系，令UPS的逆變器輸出電壓頻率，幅值與波形達到了非常高的精準度。進而在根本上保證了UPS在進行正常工作的時候，能夠將質量過關的電能輸出[1]。

1.2 系統硬件的整體規劃

系統硬件主要由控制電路與功率電路組成，其中控制電路具體包含了信號采樣設備，AD轉換設備，數字控制設備，外設驅動設備，IGBT驅動電路等等，可以把控制電路做成一個電路板，劍氣看做控制板。

功率電路依照供電方式分成兩個部分，在電網供電正常的情況下，在市電凈功率因數校正電路-逆變電路的形式進行負載供電，當市電電網出現異常的時候，其年能由蓄電池發出，因此整個電流和功率因數校正電路與逆變電路作為一塊電路板，將其看做成功率主板。

電池除了能夠保證市電正常運行之外[2]，還會誒相關控制系統提供電源。之所以這樣，主要原因是在市電異常的時候，要在根本上保證相關控制系統的正常工作，因此利用電池為相關控制系統提供電能，是一種極為可靠的方案，所以說，在充電電路，輔助電源電池升壓的電源電路在一個電路板上，能夠看做成為電池的負壓，輔助電源板和充電電源板。

2 硬件電路相關設計方案

2.1 有源功率因數矯正電路的基本結構

有源功率因數校正電路的相關基本機構詳見圖3，依照DC/DC電路的差異情況，能夠將現有的有源功率的校正電路分成降壓，升壓，和反激型三種[3]。

2.2 功率元件的相關參數設計

功率元件的選取是整個APFC電路中的關鍵所在，要將現有參數中的L＼C進行全面測定，因為最大功率輸出的關系，因此就要求所選擇的元件功率能夠將電流與電壓，值得一提的是，元件的參數對輸出電波會造成一定的影響，人體、同時也失敗性能情況優良與否的關鍵因素。

生涯電感在根本上決定了輸入的波紋電流，就此根據限制直流脈動是最小原則對升壓電感進行設計，加設輸出功率為最大值，輸入電壓最小是，輸入電流最大值， 輸入電波紋也是最大的，為了在根本上將這種情況加以全面保證，輸入的電流紋波要滿足相關要求。

2.3 驅動電路的相關設計

驅動電路不但要將功率因數矯正的相關功能加以實現[4]，還要具備一定的保護措施，在根本上保證用戶以及開關管的安全性。對驅動電路進行簡化，相關設計采用了APFC集成芯片。國外一家公司聲場的NCP1654，能夠在一定的開關頻率下正常工作，利用CCM模式，更加容易實現EMI的相關標準，能夠在根本上將射頻噪聲進行有效控制，杜絕其他設施引起的污染現象出現。

NCP1654經過第六腳FB對輸出電壓進行樣本采集，和內部基準電壓相比奇偶，會得出第三腳BO收集到的輸出電壓和相關差值，這些會一并送到內部乘法器中。這樣一個步驟就構成了CCM相關模式的外部調節，乘法器輸出是內部電流中比較器的信號，和第二腳CS中得到的電流與電壓相關情況進行比較，能夠在根本上實現CCM模式中的內環調節，在此之后，在PWM中昌盛的電路會在第八腳DRV輸出成為驅動信號，令被控制的電流和電壓成為同相位。

2.4 控制器電路

控制器利用FPGA+DSP的結構形式將DSP看做成為中心控制板設備[5]，使用FPGA的外展成為通用的接口。控制器中電路組成部分主要是由RAM，FPGA和DSP組成，FPGA+DSP相關結構中控制器能夠良好的將DSP運算進行結合，在根本上實現了控制算法能力與FPGA的接口能將在同一時間內把多個外設能力進行驅動。利用科學化分配兩者所承擔任務，能夠在根本上實現控制器高效穩定的相關性能。

2.5 旁路的轉換電路

當UPS在正常工作狀態的時候，會從逆變的電路轉向用電負荷負載進行供電，但值得注意的是，在UPS出現了過流，過載揮著系統異常的額時候，UPS就會從靜態開關自動的切換到輸出，市電電網會直接轉化為用電負載供電。

UPS中最為重要的部件就要數靜態開關了[6]。靜態開關除了能夠起到一定的保護作用之外，還是其供電方式重要的轉換器件。在根本上將用電負載與UPS的安全性進行保證，從另外一個方面來看，靜態開關是逆變電路輸出和市電旁路輸出重要的轉換器，如果逆變輸出和旁路輸出額切換時間是0的時候奇偶，UPS就會達到不斷供電的效果，因此，旁路開關的相關轉換就在于怎樣實現不間斷切換輸出通路，與此同時還要講用戶堵在與UPS通路切換安全進行全面保證。

3 系統控制軟件的相關設計

3.1 主程序

對主程序進行全面設計的根本目的在于，保證各個系統之間功能的正常運行，為了避免在運行的時候發生沖突，要求對系統運行時出現的相關狀況進行及時的反應，所以說，在對主程序進行設計的時候，不但要將相關系統流程要求進行全面考慮，同時還要將每個子程序的實現方式進行科學的度量。

主程序依照運行的相關流程，要求將每個子功能程序進行合理組織與分配，在主程序中，主要執行的子操作有：參數初始化，外設初始化，系統自我檢測，監測信號的采集，運行狀態的判斷等等。

3.2 逆變電路的驅動軟件設計

該實驗利用EVB和DSP相關事件管理模塊對其產生出來的SPWM進行詳細說明，因為逆變電路的驅動需要使用4路SPWM信號。電池在放電的時候需要2電路SPWM信號，因此，利用EVB的相關事件模塊中的比較單元產生的SPWM波形進行說明。

將GP定時器3設置成為連續的減/增計數模式，并利用周期寄存器Ian個裝載波周期進行安裝，這樣做的目的是為了在根本上實現SPWM調制的高頻率再逼麻將定時器4設置成為連續遞增計數模式。利用其自身溢出的中段子程序的參考信號，反饋信號，逆變輸出算法和信號的脈沖寬度。通過定時設備中的相關中斷程序，能夠在根本上將高頻載控制算法進行全面適應，令調節SPWM信號和載波平率成為整數倍數。利用定時器的計數周期，在根本上將算法調節速度進行全面控制。

3.3 逆變輸出的控制方式

為了在根本上實現逆變電路輸出的交流電壓相位和市電交流電壓的相關相位總是保持一致，能夠通過不斷將正選信號調整的方式，令其將市電平率與相位來實現這一最終目的。初次參考信號在主程序中的自我檢測緩解，依照開機時間輸入的市電頻率以及相位進行確定，在此以后，要依照市電輸入的相關變化情況，將正選信號與頻率相位進行全面調節。

具體方式主要分為兩種：相位與頻率的同步調節和相位與頻率的分步調節。在兩個調節過程中，我們能夠獲悉，前者相關鎖相速度與動態響應的特性情況要好于后者，但前者從運算量上來看要明顯優于后者，所以說要有相對高的運算能力作為處理器支持。在本實驗中涉及到的DSP系統時鐘為120兆赫，能夠在根本上滿足這一要求。

3.4 電池充放電的電路驅動軟件

對于電池放電過程的相關驅動，同樣能夠利用SPWM的方法進行實現，和逆向變電驅動不同的是，主要體現在放電和充電的過程驅動。兩者分別需要不同的SPWM信號加以支持。相關實現范式和逆變電路軟件極為相似，同樣使用了EVB事件中管理模塊進行實現。相關控制的計算方式在GP定時器4中段子程序中來執行， 在該程序中們只需要將SPWM信號所占的空間比進行調節，蓄電池在進行放電運行的過程中需要對相關情況進行全面判斷，其工作模式一般都在主程序中完成。

4 結語

綜上所述，該文在一定程度上完了對UPS中的軟件與硬件進行了全面設計，并實現了特定的功能，但本文僅對功率較大的UPS系統實現進行了初步嘗試，現對嵌入式再現式數字不間斷電源設計工作進行了展望。

（1）為了在根本上將更大的功率容量進行全面設計，應該在多UPS的并聯方面進行全面研究。

（2）對于上位機軟件的相關設計，可以使用PC將UPS的運行情況進行全面檢測，并對具體的參數進行調試。

（3）對于功率電路上的每個部分的相關控制方式，都要進行深入性的研究，將控制化算法進行全面優化，令其精準性更高。

參考文獻

[1] 王林兵，何湘寧.UPS的分類、關鍵技術分析與發展動態預測[J].電工技術，2003（10）：21-24.

[2] 錢希森.小型UPS原理及應用[M].北京：科學出版社，2000：132-150.

[3] 環保明星—— 伊頓9395系列UPS[J].電氣應用，2010，29（11）：30-32.

[4] 張廣明.UPS技術發展趨勢與應用中的問題[J].電信工程技術與標準化，2003（6）：1-8.

[5] 溫順理，楊波.大功率UPS工頻機和高頻機性能對比[J].電源世界，2009（7）：59-61.

[6] 王耀北，閆英敏，胡長義.基于DSP控制的IPM數字化直流伺服驅動系統設計[J].電氣傳動，2006，36（8）：43-46.