基于DSP的不间断电源控制技术研究

吴明高

[摘    要]传统化的正弦波脉宽调制控制（SPWM）技术与相控技术均在不间断电源电路控制方面存在诸多局限，随着信息化改革的深入，数字信号处理器（DSP）成为控制不间断电源（UPS）的主流趋势。基于此，本文首先阐述了不间断电源的工作原理，提出DSP不间断电源控制技术的运行流程，分析DSP控制不间断电源的关键电路结构，进一步围绕控制实例展开探讨，以供参考。

[关键词]数字控制技术;数字信号处理器;不间断电源

[中图分类号]TN86 [文献标志码]A [文章编号]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

在信息技术日渐完善的现代社会背景下，不间断电源不再为计算机系统独立外设，成为整个系统稳定安全运行的关键，但传统技术无法满足不间断电源智能化、自动化发展需求。为提升不间断电源综合性能，需借助DSP技术对不间断电源加以控制，DSP数字信号处理器借助软件极大地提升了不间断电源的集成度，使计算机系统能够灵活响应。

1 不间断电源（UPS）工作原理

供电质量不佳的是电源经不间断电源整流滤波器转化后将成为直流电源，通过逆变电路正弦脉宽调制技术（SPWM），将已转化完成的直流电源再次转化为高供电质量的正弦波交流电源。当市电处于稳定状态时，市电可为不间断电源蓄电池组充电。若市电处于停电或故障状态，则可借助不间断电源蓄电池组为逆变器提供直流电源，使逆变器可在市电停电或故障时仍正常运行，为用户提供稳定的正弦波交流

电源。

2 DSP不间断电源控制技术的运行流程

当市电正常且频率、输入电压均在允许范围内时，电路PFC部分则会对输入市电展开功率因数校正，使输入功率因数保持在0.98左右，并且避免电网污染问题。经过PFC环节变换后，输入的市电成为400 V直流输出电压，该部分电压可为后续逆变电路提供能量支撑。此时，电路DC/DC部分仍正常运行，当电池电压经过DC/DC电路后，将转化为360 V输出电压，略低于市电电压。通过PFC变换后，将进一步转化为直流母线电压，此时可运用二极管将其与直流母线隔离，使DC/DC部分进入空载运行热备用状态。当市电故障或停电，频率、输入电压未处于规定范围内时，经PFC部分转化后，市电获得直流母线电压的速度迅速降低;当其低于360 V时，二极管导通，将直流母线电压控制在360 V。此时，电池电压经过DC/DC电路转化为直流母线电压，该部分电压用于供给逆變器，以此维持电路稳定，即无论市电是否正常运行，电路逆变部分均可正常

工作。

3 DSP控制不间断电源的关键电路结构

3.1 功率校正电路

不间断电源为实现数字化控制，需借助DSP软件编程实现算法计算及器件控制，该结构比模拟器件控制结构更为简洁高效。基于DSP的不间断电源输入功率因数校正电路主要由电感、功率管、电容、二极管构成，其主要功能在于功率因数校正，并将电压至400 V。功率校正电路可在一定程度上降低外部电网对UPS市电的干扰，并提高整个不简单电源系统功率因数转换效率，是DSP控制不间断电源的关键电路结构。在整个UPS市电系统内，功率校正模块为AC/DC变换器，完成输入整流的同时，可将输入电流转化为正弦波，继而提升UPS市电系统输入功率因数，而功率因数校正部分需与直流电压保持恒定，所以功率因数校正部分不随输入的改变而变化。同时，直流电压在逆变部分转化为频率、幅值适宜的交流电源，当市电故障或停电时，UPS将在蓄电池支撑下完成运转，直流电源经DC/DC部分转化为逆变部分所需直流电压。

3.2 正弦逆变电路

正弦逆变电路由两个电容、电感和四个功率管组成的逆变桥构成。在功率校正电路模块作用下，输出电压经逆变部分转化为纯正弦波交流电压，而UPS系统由DSP数字信号处理器控制，其正弦逆变器始终处于稳定运行状态下。正弦逆变器的工作原理为借助采样电路完成逆变电路输出电流、电压的采样，并将所获得的采样电流信号、电压信号输入DSP内。此时，数字信号处理器将对采样电流信号、电压信号展开处理，并按照特定程序与算法完成对正弦逆变电路的控制。

3.3 DC/DC电路

DC/DC电路由电容、整流二极管、功率管、高频变压器构成，并采用直流电压环的方式进行反馈控制，完成转化后的电压通过二极管与功率校正电路的输出端相连。但蓄电池在市电故障与停电状态下的电压相对较低，且逆变器的直流电压利用率不高，为解决该困境，需借助DC/DC电路完成电池电压的转化。在UPS市电系统内，DC/DC电路可采用不同结构，各类结构各有优缺，其中推挽式直流变换电路为最常用的结构，其输出功率大且电路简单，可适用于大多数UPS市电系统。

3.4 其他结构功能

为了解UPS电源系统运行情况，可运用串行外设接口、串行通信接口对UPS进行监控，并将串行通信接口与微机对接，即可完成远程监控与通信。对于UPS而言，该部分结构设置与接口对接为实现数字化的关键部分。一方面，当市电处于故障或停电状态时，USP可借助上述通信通道向计算机网络传递故障报警信号，若市电长时间停电导致蓄电池供电电压低于临界放电电压时，UPS电源将接收到计算机网络传递来的自动关闭命令，并按命令完成自动关闭，继而实现数据保存，并对相关设备进行保护。另一方面，为保障DSP控制不间断电源系统的完整，需设置功能完善的人机界面，可用于UPS运行参数监测跟踪，便于修改参数信息，并为UPS运行历史记录查询提供便利。除此之外，在数字信号处理器作用下，可依托计算机网络增设UPS定时自动开关机操作，继而实现全方位控制。为实现上述控制功能，需设置通信接口，确保控制信号可被有效传递并执行，同时，具有网络管理功能的UPS，应在系统内设置网络管理协议适配器，进一步提升控制效果。

4 DSP不间断电源控制技术的实例分析

4.1 信号处理器介绍

为增强本次研究分析实效，围绕TMS320F28335DSP 32位信号处理器展开实例分析。TMS320F28335DSP主频最高150 MHz，具有精度高、响应快的优点，其内部具有ePWMxA、ePWMxB两个脉冲调制管理器模块、ADC模块、单精度浮点运算单元，区别于2812DSP，TMS320F28335DSP的精度更高。其中ePWM模块内均包括通用定时器，用于事件采样与定时;ADC模块为12位模拟数字转换器，模拟输入通道共设16个模块，配置两个独立通道模块。TMS320F28335DSP32位信号处理器具有脉宽调制通道共18道，可为不间断电源提供所需的PWM控制波形。因TMS320F28335DSP 32位信号处理器存在上述特点，故而将TMS320F28335DSP 32位信号处理器作为UPS核心控制器。

4.2 DSP控制UPS的系统设计

4.2.1 硬件设计

图1为TMS320F28335DSP控制不间断电源的硬件框图。图1中TMS320F28335DSP通过ADC4/15、ADC2/13两路通道对电压Vo、电流Io采样，获得采样信号，同时经ADC3/14通道，或对不间断电源初始电压电流进行采样，将所获得的采样信号进行对比，发现存有偏差，经PID控制器调节后生成开关信号，经门驱动后用于控制逆变器，在逆变器作用下使输出电压波形与给定电压波形更为接近。此外，DSP可检测电池电量，当DC经整流器整流后，DSP可采样DC信号，当AC输入出现故障时，则变频器所需直流电源由电池提供，以此维持稳定AC输出。

4.2.2 基准正弦波信号

不间断电源系统通常运用定时查表法获得频率为50 Hz的基准正弦波信号。定时查表法具体应用方法如下：①将192个点作为一个周期，计算各点正弦值，继而生成基准正弦表;②以1/192周期为间隔读取各点并计算，以此得到基准正弦波信号。因TMS320F28335DSP为单极性输入，所以基准正弦表同样呈现出单极性特征。同时，不间断电源的输出电压应与市电电压的相位、频率处于同步状态，即电网频率达标时，不间断电源系统内逆变器需与电网同步运行;若电网出现故障，变频器则需按照TMS320F28335DSP 50 Hz基准频率运行，以此降低逆变器、市电相互切换时带来的负载冲击，使不间断电源可安全稳定运行。

4.2.3 调节输出电压有效值

为实现DSP对不间断电源的有效控制，可调节输出电压有效值。当市电波动或出现负载时，确保不间断电源系统内的逆变器输出电压有效值使用处于稳定可接受的范围内。实现输出电压有效值有效调节的步骤如下：①按照1/192市电采样周期，对逆变器输出电压进行采样;②将采样所得电压转化为0～5 V电压;③将0～5 V电压传递至DSPA/D转换通道，并进行模数转换，读取转换值，计算逆变器输出电压采样值平方和，累加各点平方和，即可得到输出电压有效值的平方，计算公式如下：

（1）

式（1）中，U为输出电压有效值;Ui为逆变器输出电压采样值。

4.2.4 UPS缓启动

不间断电源缓启动需借助软件对给定基准正弦波幅值进行调整，确保逆变器进入启动状态后输出电压可从0 V稳定上升至基准值，待稳定后逆变器可正常输出。结合实例来看，需设定变量x，用于决定输出幅值，并设稳态值为200，3 s可调，基准正弦值在输出前乘以变量x后进行输出，随时间推移，在软件作用下调节变量x，即可使逆变器输出电压可从0 V稳定上升至基准值，实现缓启动。

5 结束语

在现代化背景下，数字信号处理器现已在UPS中得到广泛应用，可有效提升UPS产品输出电压纯净程度及稳定性，使UPS更为可靠。对于UPS而言，数字化信号处理不仅是简单的运用数字器件，更是借助数字信号处理器的离散控制办法及计算能力对不间断电源进行控制，而随着数字化技术的完善与更新，不间断电源的控制办法必然朝向数字化方向发展。

參考文献

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