?

在線式UPS電源的數(shù)字化控制技術(shù)

侯玉芬

（國(guó)家新聞出版廣電總局無(wú)線電臺(tái)管理局五六四臺(tái),102434）

摘要：在UPS電源得到廣泛應(yīng)用的情況下，有關(guān)在線式UPS電源的研究也逐漸得到了深入。就目前來(lái)看，想要較好的進(jìn)行UPS電源性能的發(fā)揮，就要對(duì)UPS的逆變器的輸出波形進(jìn)行控制。而在這方面，模擬數(shù)字化控制技術(shù)得到了很好的應(yīng)用。所以，針對(duì)這種情況，本文基于DSP對(duì)在線式UPS電源的數(shù)字化控制技術(shù)進(jìn)行了研究，并具體對(duì)在線式UPS電源的數(shù)字化控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。而從本文的研究來(lái)看，基于DSP的在線式UPS電源數(shù)字控制系統(tǒng)取得了一定的控制效果。

關(guān)鍵詞：在線式UPS電源；數(shù)字化控制技術(shù)；DSP

0　引言

在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)不斷發(fā)展的情況下，一旦出現(xiàn)了供電中斷事故，就會(huì)造成嚴(yán)重的損失。所以，在這種情況下，人們對(duì)于UPS電源的需求會(huì)逐漸擴(kuò)大。而想要保證在線式UPS電源進(jìn)行高質(zhì)量的電壓波形的輸出，就要做好電源核心部分的逆變器的控制。就目前來(lái)看，數(shù)字化控制技術(shù)可以很好的進(jìn)行在線式UPS電源效果的控制。因此，相關(guān)單位和人員有必要對(duì)在線式UPS電源的數(shù)字化控制技術(shù)進(jìn)行研究，從而更好的進(jìn)行數(shù)字化控制技術(shù)的應(yīng)用。

1　在線式UPS電源概述

從在線式UPS電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)角度來(lái)看，系統(tǒng)需要利用濾波器進(jìn)行市電電源的傳輸，從而進(jìn)行電網(wǎng)電磁干擾和射頻干擾的衰減和抑制。而在此基礎(chǔ)之上，則要分四路進(jìn)行后續(xù)電路的運(yùn)行控制。首先，來(lái)自市電電源的電流要經(jīng)過交流旁路的供電通道，從而到達(dá)轉(zhuǎn)換繼電器的常閉觸點(diǎn)的位置上。其次，電流需要通過充電器，從而對(duì)系統(tǒng)的電池組進(jìn)行充電操作。而在這種情況下，系統(tǒng)的外來(lái)供電即使中斷，也可以有足夠的電量來(lái)進(jìn)行電源正常工作的維持。再者，電流需達(dá)到整流濾波器的輸入端，而該整流濾波器則具有校正輸入功率因素的控制特性。最后，系統(tǒng)會(huì)將市電同步跟蹤信號(hào)送至UPS鎖相同步電路中。而為了保證UPS電源的運(yùn)行能夠更加安全和穩(wěn)定，則要保證逆變器的電源與市電電源保持相同的頻率、相同的相位和相同的電壓幅度。就目前來(lái)看，在線式UPS一般采用的都是橋式逆變電路，既屬于電壓型逆變電源。而典型的單相UPS的PWM逆變電路則主要由單向便橋式逆變器、L-C濾波器和負(fù)載組成。按照輸出電壓的極性來(lái)劃分，則可以將系統(tǒng)電壓極性分為單極性SPWM和雙極性SPWM。

2　在線式UPS電源的數(shù)字化控制技術(shù)研究

2.1在線式UPS電源的數(shù)字化控制問題

在進(jìn)行在線式UPS電源的數(shù)字化控制時(shí)，可以利用DSP進(jìn)行逆變器的數(shù)字控制，從而進(jìn)行數(shù)字PWM的發(fā)生問題的解決。一般的情況下，模擬PWM是通過進(jìn)行三角波和控制信號(hào)的比較而產(chǎn)生的，而數(shù)字PWM則是通過定時(shí)器和數(shù)字比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在數(shù)字PWM產(chǎn)生的過程中，定時(shí)器需要用來(lái)產(chǎn)生鋸齒波和三角波，而輸出信號(hào)的高低電平則由數(shù)字比較器來(lái)決定。從根本上來(lái)講，兩種PWM的產(chǎn)生原理基本一致，而數(shù)字PWM則有其獨(dú)有的特點(diǎn)。

在進(jìn)行在線式UPS電源的數(shù)字化控制問題的研究時(shí)，可以采用DSP芯片進(jìn)行對(duì)稱和非對(duì)稱的數(shù)字PWM發(fā)生模塊的集成，而本系統(tǒng)采用的為對(duì)稱PWM。從原理上來(lái)看，在定時(shí)器從0遞增到周期值為T1PR的計(jì)數(shù)時(shí)，高有效的PWM的輸出口的計(jì)數(shù)值將上升至CMPRX這一比較值，從而進(jìn)行高電平的輸出。而在定時(shí)器從周期值為T1PR的計(jì)數(shù)遞減到0時(shí)，高有效的PWM的輸出口的計(jì)數(shù)值將降低至CMPRX這一比較值，從而進(jìn)行低電平的輸出。而為了避免逆變橋的同一組橋臂出現(xiàn)上下管共通的問題，則要進(jìn)行兩路互補(bǔ)PWM信號(hào)的死區(qū)的設(shè)置。而該死區(qū)的設(shè)置既可以由模擬電路實(shí)現(xiàn)，也可以通過DSP內(nèi)部的死區(qū)發(fā)生模塊來(lái)進(jìn)行設(shè)定。此外，在進(jìn)行計(jì)數(shù)頻率為f0=40MHz的逆變器的使用時(shí)，可以利用DSP 的TM320LF2406芯片進(jìn)行逆變器的開關(guān)頻率控制。而在采用對(duì)稱PWM的方式的情況下，系統(tǒng)的分辨率則為1/1250。而在這種情況下，PWM分辨率可以滿足UPS逆變器的控制精度要求。

2.2數(shù)字化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在進(jìn)行在線式UPS電源的數(shù)字化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，本文采用了TM320LF2406為核心控制芯片。而該種DSP芯片需要控制的在線式電源則為50Hz、100V的UPS電源。而之所以進(jìn)行該種芯片的使用，是因?yàn)樵撔酒哂懈咚龠M(jìn)行信號(hào)處理和數(shù)字控制的特點(diǎn)，可以進(jìn)行復(fù)雜的控制算法的實(shí)現(xiàn)。所以，利用該芯片，可以通過軟件進(jìn)行逆變重復(fù)控制算法的實(shí)現(xiàn)。

2.2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以利用DSP的TM320LF2406芯片進(jìn)行在線式UPS電源的四個(gè)功率變換環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)。具體來(lái)說，可以實(shí)現(xiàn)的變換環(huán)節(jié)包含了輸入PFC環(huán)節(jié)、輸出逆變環(huán)節(jié)、電池充電環(huán)節(jié)和電池升壓環(huán)節(jié)。而從結(jié)構(gòu)整體上來(lái)看，這些環(huán)節(jié)彼此之間的關(guān)系是獨(dú)立的，所以可以獨(dú)立進(jìn)行這些環(huán)節(jié)的控制。此外，由于DSP進(jìn)行一條指令的實(shí)現(xiàn)僅需要50ns，所以可以利用DSP進(jìn)行電流環(huán)和電壓環(huán)的實(shí)時(shí)處理。就實(shí)際情況而言，在線式UPS電源的四個(gè)功率變換環(huán)節(jié)需要6路信號(hào)的反饋。具體來(lái)說，這6路反饋則包含了輸入電壓、直流BUS正負(fù)電壓、輸出電壓、輸出電流和電池電源。而在進(jìn)行這些電路信號(hào)采集時(shí)，則需要利用DSP芯片內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行信號(hào)的采樣。而DSP內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換模塊則有兩個(gè)，而兩個(gè)模塊則可以實(shí)現(xiàn)并行的轉(zhuǎn)換。其中，ADC0 到ADC7是第一模塊，而ADC8到ADC15是第二模塊。在進(jìn)行信號(hào)采集的過程中，輸入電壓信號(hào)采集由ADC1完成，正負(fù)BUS電容電壓信號(hào)的采集由ADC0和ADC3完成。而輸出電壓、電流信號(hào)的采集由ADC14和ADC7來(lái)完成，電池電壓信號(hào)的采集則由ADC4來(lái)完成。

2.2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)時(shí)，想要進(jìn)行電壓和穩(wěn)壓值的輸出，則需要對(duì)DSP中的EVB模塊中的CMPR1中的正弦波幅值來(lái)進(jìn)行修正。而這樣一來(lái)，就可以進(jìn)行開關(guān)管IGBT的占空比的控制，從而進(jìn)行輸出電壓的控制。而想要對(duì)正弦波幅值進(jìn)行修正，則可以利用嵌入式重復(fù)控制算法和積分、比例控制算法以及復(fù)合控制算法來(lái)完成。而這些控制算法的應(yīng)用，不僅可以進(jìn)行系統(tǒng)重復(fù)控制靜差問題的解決，還可以改進(jìn)系統(tǒng)響應(yīng)緩慢的問題，從而使在線式UPS電源滿足電源不間斷的要求。具體來(lái)講，改進(jìn)后的重復(fù)控制軟件流程中，CFramHEAD和CFramTAIL分別為重復(fù)控制器的累加存儲(chǔ)單元的頭地址和尾地址的指針。而AR3則為取數(shù)據(jù)地址指針，AR4則為存數(shù)據(jù)地址指針。此外，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中還包含了數(shù)據(jù)暫存單元。

2.3系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)分析

為了更好的進(jìn)行在線式UPS電源的數(shù)字化控制系統(tǒng)的研究，從而進(jìn)行數(shù)字化控制技術(shù)的應(yīng)用，還要對(duì)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析。在對(duì)系統(tǒng)輸入110V、50Hz的市電電壓的情況下，BUS電壓為170V。而在這這種情況下，系統(tǒng)的輸出濾波電容為4.7uF,輸出濾波電感則為2mH，負(fù)載則為0到700W之間的白熾燈。在系統(tǒng)的閉環(huán)控制器中，前饋的控制系數(shù)為1，而重復(fù)增益系數(shù)則為0.25，比例控制系數(shù)也為1.同時(shí)，系統(tǒng)的死區(qū)時(shí)間為2us，采樣頻率則為8kHz。從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，在系統(tǒng)加載量瞬間增大的情況下，系統(tǒng)恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)需要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間。而在這一過程中，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差也比較大。所以，為了進(jìn)行系統(tǒng)響應(yīng)的快速性的調(diào)節(jié)，要在系統(tǒng)中進(jìn)行比例調(diào)節(jié)器的設(shè)置。而在系統(tǒng)加載量瞬間減小的情況下，系統(tǒng)則可以較快的恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，但是也同樣存在著一定的穩(wěn)態(tài)誤差。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，還需要在系統(tǒng)中進(jìn)行積分調(diào)節(jié)器的加入，從而進(jìn)行系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差問題的解決。但是值得注意的是，系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)采用的是恒定的BUS電壓，所以系統(tǒng)可以通過改變PFC功率因素進(jìn)行直流BUS電壓穩(wěn)壓的校正。而在實(shí)際進(jìn)行系統(tǒng)應(yīng)用的過程中，系統(tǒng)的直流母線電壓不可能達(dá)到最理想的狀態(tài)。而一旦出現(xiàn)重載的突然施加或減少的情況，就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)母線電壓的下垂，進(jìn)而造成逆變電源輸出電壓的變化。因此，想要較好進(jìn)行數(shù)字化控制技術(shù)的應(yīng)用，從而進(jìn)行在線式UPS電源的控制，還要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn)。

3　結(jié)論

總之，在信息技術(shù)的不斷發(fā)展下，逆變電源取得了進(jìn)一步的發(fā)展，從而為用戶提供更加可靠的服務(wù)。而在非線性負(fù)載不斷增加的情況下，只有做好在線式UPS電源性能和結(jié)構(gòu)的控制，才能滿足用戶更高的要求。所以，本文結(jié)合實(shí)際情況，利用數(shù)字化控制技術(shù)對(duì)在線式UPS的系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題進(jìn)行了研究。而從本文的研究來(lái)看，基于DSP進(jìn)行在線式UPS電源的數(shù)字化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以使電源的性能更高的同時(shí)，花費(fèi)較低的控制成本，并進(jìn)行穩(wěn)定的正弦電壓的輸出。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙悅曉.芻議UPS數(shù)字化控制及其并聯(lián)運(yùn)行主要技術(shù)[J].山東工業(yè)技術(shù)，2014,23（01）：133.

[2] 譚佐枝.基于自校正PI的在線式UPS逆變器控制技術(shù)研究[D].中南大學(xué)，2012.

[3] 牛濤.UPS電源技術(shù)性能及可用性比較[J].軟件導(dǎo)刊，2011，01（12）：65-67.

[4] 李杰輝.基于DSP的UPS電源在線控制技術(shù)研究[J].通信電源技術(shù)，2011,03（28）：65-67.

[5] 廉柯.基于DSP的在線式數(shù)字化UPS的研究[D].中南大學(xué)，2010.

[6] 張宏宇.UPS電源技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2011，14（01）：1-2.

Line UPS Power Supply Digital Control Technology

Hou Yufen

(The State Press and publication Radio Administration Bureau of SARFT,102434)

Abstract：In the case of UPS has been widely applied,research on-line UPS power supply has been gradually deepened.For now,we want a good performance and realization UPS power supply,it is necessary for the UPS output waveform of the inverter control.In this regard,analog and digital control technology has been very good application.So,for this situation,the paper-based on-line UPS power DSP digital control technology research,and specifically for on-line UPS power supply digital control system is designed.From this study,the on-line UPS power supply DSP digital control system has achieved some control.

Keywords：on-line UPS power supply;digital control technology;DSP