基于DSP的不間斷電源控制技術研究

吳明高

[摘? ? 要]傳統化的正弦波脈寬調制控制（SPWM）技術與相控技術均在不間斷電源電路控制方面存在諸多局限，隨著信息化改革的深入，數字信號處理器（DSP）成為控制不間斷電源（UPS）的主流趨勢。基于此，本文首先闡述了不間斷電源的工作原理，提出DSP不間斷電源控制技術的運行流程，分析DSP控制不間斷電源的關鍵電路結構，進一步圍繞控制實例展開探討，以供參考。

[關鍵詞]數字控制技術;數字信號處理器;不間斷電源

[中圖分類號]TN86 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）11–00–02

Research on Uninterruptible Power Supply Control Technology Based on DSP

Wu Ming-gao

[Abstract]The traditional sine wave pulse width modulation control （SPWM） technology and phase control technology have many limitations in the control of uninterruptible power supply circuits. With the deepening of information reform， the digital signal processor （DSP） has become an uninterrupted control Main trend of power supply （UPS）. Based on this， this article first expounds the working principle of uninterruptible power supply， proposes the operation flow of DSP uninterruptible power supply control technology， analyzes the key circuit structure of DSP control uninterruptible power supply， and further discusses the control examples for reference.

[Keywords]digital control technology; digital signal processor; uninterruptible power supply

在信息技術日漸完善的現代社會背景下，不間斷電源不再為計算機系統獨立外設，成為整個系統穩定安全運行的關鍵，但傳統技術無法滿足不間斷電源智能化、自動化發展需求。為提升不間斷電源綜合性能，需借助DSP技術對不間斷電源加以控制，DSP數字信號處理器借助軟件極大地提升了不間斷電源的集成度，使計算機系統能夠靈活響應。

1 不間斷電源（UPS）工作原理

供電質量不佳的是電源經不間斷電源整流濾波器轉化后將成為直流電源，通過逆變電路正弦脈寬調制技術（SPWM），將已轉化完成的直流電源再次轉化為高供電質量的正弦波交流電源。當市電處于穩定狀態時，市電可為不間斷電源蓄電池組充電。若市電處于停電或故障狀態，則可借助不間斷電源蓄電池組為逆變器提供直流電源，使逆變器可在市電停電或故障時仍正常運行，為用戶提供穩定的正弦波交流

電源。

2 DSP不間斷電源控制技術的運行流程

當市電正常且頻率、輸入電壓均在允許范圍內時，電路PFC部分則會對輸入市電展開功率因數校正，使輸入功率因數保持在0.98左右，并且避免電網污染問題。經過PFC環節變換后，輸入的市電成為400 V直流輸出電壓，該部分電壓可為后續逆變電路提供能量支撐。此時，電路DC/DC部分仍正常運行，當電池電壓經過DC/DC電路后，將轉化為360 V輸出電壓，略低于市電電壓。通過PFC變換后，將進一步轉化為直流母線電壓，此時可運用二極管將其與直流母線隔離，使DC/DC部分進入空載運行熱備用狀態。當市電故障或停電，頻率、輸入電壓未處于規定范圍內時，經PFC部分轉化后，市電獲得直流母線電壓的速度迅速降低;當其低于360 V時，二極管導通，將直流母線電壓控制在360 V。此時，電池電壓經過DC/DC電路轉化為直流母線電壓，該部分電壓用于供給逆變器，以此維持電路穩定，即無論市電是否正常運行，電路逆變部分均可正常

工作。

3 DSP控制不間斷電源的關鍵電路結構

3.1 功率校正電路

不間斷電源為實現數字化控制，需借助DSP軟件編程實現算法計算及器件控制，該結構比模擬器件控制結構更為簡潔高效。基于DSP的不間斷電源輸入功率因數校正電路主要由電感、功率管、電容、二極管構成，其主要功能在于功率因數校正，并將電壓至400 V。功率校正電路可在一定程度上降低外部電網對UPS市電的干擾，并提高整個不簡單電源系統功率因數轉換效率，是DSP控制不間斷電源的關鍵電路結構。在整個UPS市電系統內，功率校正模塊為AC/DC變換器，完成輸入整流的同時，可將輸入電流轉化為正弦波，繼而提升UPS市電系統輸入功率因數，而功率因數校正部分需與直流電壓保持恒定，所以功率因數校正部分不隨輸入的改變而變化。同時，直流電壓在逆變部分轉化為頻率、幅值適宜的交流電源，當市電故障或停電時，UPS將在蓄電池支撐下完成運轉，直流電源經DC/DC部分轉化為逆變部分所需直流電壓。

3.2 正弦逆變電路

正弦逆變電路由兩個電容、電感和四個功率管組成的逆變橋構成。在功率校正電路模塊作用下，輸出電壓經逆變部分轉化為純正弦波交流電壓，而UPS系統由DSP數字信號處理器控制，其正弦逆變器始終處于穩定運行狀態下。正弦逆變器的工作原理為借助采樣電路完成逆變電路輸出電流、電壓的采樣，并將所獲得的采樣電流信號、電壓信號輸入DSP內。此時，數字信號處理器將對采樣電流信號、電壓信號展開處理，并按照特定程序與算法完成對正弦逆變電路的控制。

3.3 DC/DC電路

DC/DC電路由電容、整流二極管、功率管、高頻變壓器構成，并采用直流電壓環的方式進行反饋控制，完成轉化后的電壓通過二極管與功率校正電路的輸出端相連。但蓄電池在市電故障與停電狀態下的電壓相對較低，且逆變器的直流電壓利用率不高，為解決該困境，需借助DC/DC電路完成電池電壓的轉化。在UPS市電系統內，DC/DC電路可采用不同結構，各類結構各有優缺，其中推挽式直流變換電路為最常用的結構，其輸出功率大且電路簡單，可適用于大多數UPS市電系統。

3.4 其他結構功能

為了解UPS電源系統運行情況，可運用串行外設接口、串行通信接口對UPS進行監控，并將串行通信接口與微機對接，即可完成遠程監控與通信。對于UPS而言，該部分結構設置與接口對接為實現數字化的關鍵部分。一方面，當市電處于故障或停電狀態時，USP可借助上述通信通道向計算機網絡傳遞故障報警信號，若市電長時間停電導致蓄電池供電電壓低于臨界放電電壓時，UPS電源將接收到計算機網絡傳遞來的自動關閉命令，并按命令完成自動關閉，繼而實現數據保存，并對相關設備進行保護。另一方面，為保障DSP控制不間斷電源系統的完整，需設置功能完善的人機界面，可用于UPS運行參數監測跟蹤，便于修改參數信息，并為UPS運行歷史記錄查詢提供便利。除此之外，在數字信號處理器作用下，可依托計算機網絡增設UPS定時自動開關機操作，繼而實現全方位控制。為實現上述控制功能，需設置通信接口，確保控制信號可被有效傳遞并執行，同時，具有網絡管理功能的UPS，應在系統內設置網絡管理協議適配器，進一步提升控制效果。

4 DSP不間斷電源控制技術的實例分析

4.1 信號處理器介紹

為增強本次研究分析實效，圍繞TMS320F28335DSP 32位信號處理器展開實例分析。TMS320F28335DSP主頻最高150 MHz，具有精度高、響應快的優點，其內部具有ePWMxA、ePWMxB兩個脈沖調制管理器模塊、ADC模塊、單精度浮點運算單元，區別于2812DSP，TMS320F28335DSP的精度更高。其中ePWM模塊內均包括通用定時器，用于事件采樣與定時;ADC模塊為12位模擬數字轉換器，模擬輸入通道共設16個模塊，配置兩個獨立通道模塊。TMS320F28335DSP32位信號處理器具有脈寬調制通道共18道，可為不間斷電源提供所需的PWM控制波形。因TMS320F28335DSP 32位信號處理器存在上述特點，故而將TMS320F28335DSP 32位信號處理器作為UPS核心控制器。

4.2 DSP控制UPS的系統設計

4.2.1 硬件設計

圖1為TMS320F28335DSP控制不間斷電源的硬件框圖。圖1中TMS320F28335DSP通過ADC4/15、ADC2/13兩路通道對電壓Vo、電流Io采樣，獲得采樣信號，同時經ADC3/14通道，或對不間斷電源初始電壓電流進行采樣，將所獲得的采樣信號進行對比，發現存有偏差，經PID控制器調節后生成開關信號，經門驅動后用于控制逆變器，在逆變器作用下使輸出電壓波形與給定電壓波形更為接近。此外，DSP可檢測電池電量，當DC經整流器整流后，DSP可采樣DC信號，當AC輸入出現故障時，則變頻器所需直流電源由電池提供，以此維持穩定AC輸出。

4.2.2 基準正弦波信號

不間斷電源系統通常運用定時查表法獲得頻率為50 Hz的基準正弦波信號。定時查表法具體應用方法如下：①將192個點作為一個周期，計算各點正弦值，繼而生成基準正弦表;②以1/192周期為間隔讀取各點并計算，以此得到基準正弦波信號。因TMS320F28335DSP為單極性輸入，所以基準正弦表同樣呈現出單極性特征。同時，不間斷電源的輸出電壓應與市電電壓的相位、頻率處于同步狀態，即電網頻率達標時，不間斷電源系統內逆變器需與電網同步運行;若電網出現故障，變頻器則需按照TMS320F28335DSP 50 Hz基準頻率運行，以此降低逆變器、市電相互切換時帶來的負載沖擊，使不間斷電源可安全穩定運行。

4.2.3 調節輸出電壓有效值

為實現DSP對不間斷電源的有效控制，可調節輸出電壓有效值。當市電波動或出現負載時，確保不間斷電源系統內的逆變器輸出電壓有效值使用處于穩定可接受的范圍內。實現輸出電壓有效值有效調節的步驟如下：①按照1/192市電采樣周期，對逆變器輸出電壓進行采樣;②將采樣所得電壓轉化為0～5 V電壓;③將0～5 V電壓傳遞至DSPA/D轉換通道，并進行模數轉換，讀取轉換值，計算逆變器輸出電壓采樣值平方和，累加各點平方和，即可得到輸出電壓有效值的平方，計算公式如下：

（1）

式（1）中，U為輸出電壓有效值;Ui為逆變器輸出電壓采樣值。

4.2.4 UPS緩啟動

不間斷電源緩啟動需借助軟件對給定基準正弦波幅值進行調整，確保逆變器進入啟動狀態后輸出電壓可從0 V穩定上升至基準值，待穩定后逆變器可正常輸出。結合實例來看，需設定變量x，用于決定輸出幅值，并設穩態值為200，3 s可調，基準正弦值在輸出前乘以變量x后進行輸出，隨時間推移，在軟件作用下調節變量x，即可使逆變器輸出電壓可從0 V穩定上升至基準值，實現緩啟動。

5 結束語

在現代化背景下，數字信號處理器現已在UPS中得到廣泛應用，可有效提升UPS產品輸出電壓純凈程度及穩定性，使UPS更為可靠。對于UPS而言，數字化信號處理不僅是簡單的運用數字器件，更是借助數字信號處理器的離散控制辦法及計算能力對不間斷電源進行控制，而隨著數字化技術的完善與更新，不間斷電源的控制辦法必然朝向數字化方向發展。

參考文獻

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