專利名稱：基于tms320f2812的ups數(shù)字化控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)字化不間斷電源(UPS)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于32位DSPTMS320F2812的三相在線式大功率UPS控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著重要部門、大型用電設(shè)備對高品質(zhì)電源需求的日益增多，同時為了減少由于電力電子設(shè)備大量使用所帶來的諧波污染，UPS得到了日益廣泛的應(yīng)用。UPS綜合了先進的功率變換、數(shù)字控制、PWM (脈寬調(diào)制)、EMC (電磁兼容)、冗余并機、電池智能管理和新工藝等技術(shù)，目前正在朝高頻化、全數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、綠色化、模塊化等方向發(fā)展。在良好的市場前景條件下，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，UPS系統(tǒng)設(shè)計理念將不斷深化和發(fā)展。UPS使用IGBT或MOSFET功率器件，使其走向高頻化、高效率；采用冗余技術(shù)，進一步增強了 UPS的容量和可靠性 ，而智能化UPS技術(shù)不僅提供高可靠的電源網(wǎng)絡(luò)化管理，也為電源節(jié)能提供了一種解決方案。目前，在UPS電源方面，外資品牌和我國電源企業(yè)正在市場和技術(shù)上展開著激烈的競爭，如果產(chǎn)品功能強大但價格過高，沒有好的性價比也很難立足市場。實現(xiàn)UPS的高頻化、數(shù)字化、智能化和模塊化核心就是控制技術(shù)的研究，研究UPS的控制技術(shù)，獲得高質(zhì)量的輸出電壓波形的質(zhì)量是UPS電源技術(shù)的研究熱點之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種基于TMS320F2812的高性價比的UPS數(shù)字化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對10KVA飛OOKVA的UPS的控制，本發(fā)明通過如下技術(shù)方案實現(xiàn):
基于TMS320F2812的UPS數(shù)字化控制系統(tǒng)，其包括基于TMS320F2812主控模塊、同步鎖相控制模塊、三相輸出平衡調(diào)節(jié)模塊、通信模塊和故障保護模塊，所述DSP主控模塊與同步鎖相控制模塊、三相輸出平衡調(diào)節(jié)模塊、通信模塊和故障保護模塊雙向連接。進一步的，所述主控模塊包括前置處理電路、AD采樣電路、空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)信號發(fā)生電路、整流控制電路和逆變控制電路;AD采樣電路與前置處理電路相連，SVPWM信號發(fā)生電路分別與整流控制電路、逆變控制電路連接，整流控制電路與逆變控制電路相連接。同步鎖相控制模塊分別與整流控制電路、逆變控制電路連接。進一步的，所述三相輸出平衡調(diào)節(jié)模塊包括AD采樣電路、輸出電壓波形控制模塊；輸出電壓波形控制模塊采用基于旋轉(zhuǎn)坐標變換的正序電壓控制器、負序電壓控制器。進一步的，所述故障保護系統(tǒng)包括輸入電壓和電流檢測電路、輸出電壓和電流檢測電路、電池電壓和電流檢測電路以及旁路/逆變切換電路。進一步的，所述同步鎖相控制模塊包括通用的AD采樣電路、過零檢測電路和頻率捕捉單元。進一步的，所述通信模塊包括MCU (微控制器單元)顯示控制板模塊和并機通信接口電路。
進一步的，所述通信模塊中的顯示控制板模塊采用Philips公司的P89LPC938芯片。本發(fā)明的工作原理詳述如下:
所述DSP主控模塊，產(chǎn)生SVPWM波形驅(qū)動功率開關(guān)管IGBT。前置處理電路與AD采樣電路連接，前置處理電路主要完成對輸入輸出的電壓、電流的降壓及偏置處理，使得電流信號能夠轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電壓信號，同時使進入DSP的電壓信號幅值在AD模塊輸入的允許電壓范圍之內(nèi)。TMS320F2812具有兩個AD轉(zhuǎn)換模塊，有多達16個模擬輸入通道，可配置同時或順序采樣模式，能夠滿足高速采樣及實時系統(tǒng)的需求。SVPWM信號發(fā)生電路利用TMS320F2812的兩個事件管理模塊實現(xiàn)SVPWM波形輸出。整流控制電路和逆變控制電路采用相同的、可互換的結(jié)構(gòu)設(shè)計。TMS320F2812通過產(chǎn)生SVPWM波形驅(qū)動整流控制電路、逆變控制電路中的IGBT，實現(xiàn)對整流控制電路、逆變控制電路的調(diào)制。所述同步鎖相控制模塊逆變控制電路連接，在逆變控制電路中實現(xiàn)了 UPS輸出電壓實時跟蹤市電，使UPS與市電同步運行，保證了旁路逆變切換的平穩(wěn)連續(xù)。同步鎖相控制模塊中采用了一種通用的過零檢測電路，將采樣到的信號整形偏置，然后利用TMS320F2812事件管理器中的捕捉單元，通過PI(比例積分)調(diào)節(jié)算法，實現(xiàn)UPS輸出電壓與市電的同步。所述三相輸出平衡調(diào)節(jié)模塊包括采樣電路和輸出電壓波形控制模塊。UPS輸出電壓波形控制模塊與DSP主控模塊連接，具體地，與DSP主控模塊中的SVPWM信號發(fā)生電路和逆變控制電路相連接。輸出電壓波形控制模塊中包括正序電壓控制器、負序電壓控制器。三相輸出平衡調(diào)節(jié)模塊有效地抑制了不平衡負載引起的輸出電壓畸變，保證了 UPS在任意不平衡負載下仍能維持三相平衡的輸出電壓，獲得高質(zhì)量的輸出電壓波形。所述通信模塊包括由MCU顯示控制板模塊、并機通信接口電路。MCU顯示控制板模塊采用Philips公司的P89LPC938作為顯示控制芯片，通過與TMS320F2812的GPIO接口相連接，可查詢設(shè)置當前UPS的運行狀態(tài)。并機通信接口電路與TMS320F2812的GPIO接口連接，采用較少的通信線，交互公共同步信號和輸出電壓的信息，有利于UPS的并機和模塊化。所述故障保護模塊通過對輸入電壓、和電流檢測，輸出電壓和電流檢測，電池電壓和電流檢測，旁路/逆變切換等對運行中可能出現(xiàn)的過壓、過流或欠壓、欠流等故障進行精確定位，并采取相應(yīng)的措施來保護整個系統(tǒng)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點和技術(shù)效果:本發(fā)明的大功率UPS數(shù)字化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)，采用SVPWM技術(shù)，提高了直流電壓利用率和減少了諧波污染；有較高的功率因數(shù)校正能力；解決了三相輸出不平衡問題和多臺UPS并機問題，使得UPS具有較高的性價比、更好的穩(wěn)定性和可靠性，對于促進UPS的高頻化、智能化、綠色化發(fā)展具有積極的意義。


圖1是UPS數(shù)字化控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖； 圖2是UPS數(shù)字化控制系統(tǒng)的功能框 圖3是UPS數(shù)字化控制系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明具體實施作進一步說明，但本發(fā)明的實施方式和保護范圍不限于此。如圖1，在UPS數(shù)字化控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖中，包括DSP主控模塊、同步鎖相控制模塊、三相輸出平衡調(diào)節(jié)模塊、通信模塊和故障保護模塊。DSP主控模塊與同步鎖相控制模塊、三相輸出平衡調(diào)節(jié)模塊、通信模塊和故障保護模塊雙向連接。如圖2，所述的UPS數(shù)字化控制系統(tǒng)分為五大模塊的實現(xiàn)如下:
所述DSP主控模塊，根據(jù)實現(xiàn)功能將其分為前置處理電路、AD采樣模塊、SVPWM信號發(fā)生器、逆變控制模塊和整流控制模塊。整個系統(tǒng)如圖3所示，DSP主控模塊是整個系統(tǒng)的控制核心，前述AD采樣模塊以及SVPWM信號發(fā)生器可利用TMS320F2812實現(xiàn)；逆變控制模塊以及整流控制模塊的控制算法，可同時在DSP編程實現(xiàn)。前置處理電路與AD采樣電路連接，前置處理電路主要完成對輸入輸出的電壓、電流的降壓及偏置處理，使得電流信號能夠轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電壓信號，同時使進入DSP的電壓信號幅值在AD模塊輸入的允許電壓范圍之內(nèi)。TMS320F2812具有兩個AD轉(zhuǎn)換模塊，有多達16個模擬輸入通道，可配置同時或順序采樣模式，能夠滿足高速采樣及實時系統(tǒng)的需求。信號經(jīng)AD模塊采集之后，還對數(shù)據(jù)做了線性校正處理，使采樣的數(shù)據(jù)更加準確。SVPWM信號發(fā)生電路利用TMS320F2812的兩個事件管理模塊實現(xiàn)SVPWM波形輸出。事件管理器A通過產(chǎn)生6路SVPWM信號驅(qū)動整流控制電路中的IGBT，事件管理器B通過產(chǎn)生6路SVPWM信號驅(qū)動逆變控制電路中的IGBT。兩個6路SVPWM信號的產(chǎn)生機理相同，因為整流控制電路和逆變控制電路采用相同的、可互換的結(jié)構(gòu)設(shè)計，其電路原理相同。這樣就實現(xiàn)了一個DSP芯片控制UPS系統(tǒng)中整流部分和逆變部分的效果，節(jié)約了成本。SVPWM信號發(fā)生電路 是DSP主控模塊的核心部分，本發(fā)明采用SVPWM技術(shù)來實現(xiàn)功率開關(guān)管IGBT的調(diào)制，SVPWM是利用三相電壓基本矢量去逼近矢量電壓圓，可以得到等效三相正弦波形。與常規(guī)SPWM (正弦脈寬調(diào)制)方式相比SVPWM有如下優(yōu)點:(I)直流電壓利用率較高，提高了 15%; (2)在相同的波形品質(zhì)條件下，SVPWM調(diào)制方式具有較低的開關(guān)頻率，有效降低IGBT的開關(guān)損耗；(3) SVPWM調(diào)制方式具有更好的動態(tài)性能，能有效降低電壓、電流諧波。TMS320F2812中的事件管理器模塊內(nèi)置SVPWM信號發(fā)生器，用此模塊來產(chǎn)生五段式SVPWM信號，可以大大降低產(chǎn)生SVPWM波形的運算量。所述同步鎖相控制模塊，根據(jù)實現(xiàn)功能分為波形調(diào)理電路和同步鎖相控制模塊。波形調(diào)理電路將市電以及輸出電壓的正弦波形轉(zhuǎn)換成同頻率的方波，輸入到DSP芯片的捕捉單元輸入端口，用于檢測市電以及輸出電壓的相位差。同步鎖相控制模塊主要在DSP芯片里面，利用前述計算得到的相位差，通過PI控制，實現(xiàn)了 UPS輸出電壓與市電的同步。在同步鎖相中，采用了“先調(diào)頻率后調(diào)相位”的方法，有效解決了輸出電壓與旁路電壓同頻、同相位的問題。所述三相輸出平衡調(diào)節(jié)模塊，它是由采樣電路和輸出電壓波形控制模塊組成的。UPS輸出電壓波形控制由DSP實現(xiàn)，模塊輸出的控制量可用于控制輸出的SVPWM信號。輸出電壓波形控制模塊將不平衡的輸出電壓先通過FFT (快速傅里葉變換)計算，得到基波和諧波分量，然后將基波分為正序電壓分量、負序電壓分量和零序電壓分量，正序電壓分量在在正序旋轉(zhuǎn)坐標系下通過PI控制器的無靜差控制，得到了平衡的輸出電壓波形；負序電壓分量在負序旋轉(zhuǎn)坐標系下通過PI控制器的無靜差控制，消除了逆變電源在不平衡負載下的負序電壓畸變。對諧波分量也做類似的處理，抑制住輸出電壓的低次諧波分量。將上述PI控制器的輸出疊加之后，獲得關(guān)于逆變電壓的控制量，產(chǎn)生相應(yīng)的SVPWM波形，SVPWM波形再經(jīng)過IGBT驅(qū)動電路驅(qū)動逆變器的六個橋臂，可得到三相平衡的輸出電壓。解決了 UPS帶不平衡負載時輸出電壓不平衡的問題，保證了 UPS輸出電壓良好的波形質(zhì)量。所述通信模塊，包括MCU顯示控制板模塊和并機通信接口電路。MCU顯示控制板模塊采用P89LPC938作為顯示控制芯片，通過與TMS320F2812的GPIO (通用輸入/輸出)接口相連接查詢設(shè)置當前UPS的運行狀態(tài)，運行狀態(tài)包括逆變輸出狀態(tài)、旁路輸出狀態(tài)、維修狀態(tài)、故障狀態(tài)。并機通信接口電路與TMS320F2812的GPIO (通用IO 口)接口連接，采用較少的通信線，交互公共同步信號和輸出電壓的信息，通過判斷其它UPS的靜態(tài)開關(guān)控制狀態(tài)來控制自身的靜態(tài)開關(guān)，有利于UPS的并機和模塊化。為了防止干擾，各信號的發(fā)送/接收都采用了光耦隔離。所述故障保護模塊，它是由各檢測模塊組合而成的。模塊根據(jù)對輸入電壓和電流檢測、輸出電壓和電流檢測、電池電壓和電流檢測、旁路/逆變切換檢測，判斷運行中可能出現(xiàn)的過壓、過流或欠壓、欠流等故障進行精確定位，并采取相應(yīng)的措施:(1)當負載在起動時電流過大或浪涌 電流超過限定值時，將逆變輸出切換到市電供電。(2)當逆變器發(fā)生過壓、過載、失真或故障時，自動切換到市電供電。(3)當負載正?；蚰孀兤骰謴?fù)正常后，能自動切換到逆變器供電。
權(quán)利要求
1.基于TMS320F2812的UPS數(shù)字化控制系統(tǒng)，其特征在于包括基于32位DSPTMS320F2812主控模塊、同步鎖相控制模塊、三相輸出平衡調(diào)節(jié)模塊、通信模塊和故障保護模塊，所述主控模塊與同步鎖相控制模塊、三相輸出平衡調(diào)節(jié)模塊、通信模塊和故障保護模塊雙向連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的UPS數(shù)字化控制系統(tǒng)，其特征在于所述DSP主控模塊包括前置處理電路、AD采樣電路、空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)信號發(fā)生電路、整流控制電路和逆變控制電路;AD采樣電路與前置處理電路相連，SVPWM信號發(fā)生電路分別與整流控制電路、逆變控制電路連接，整流控制電路與逆變控制電路相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的UPS數(shù)字化控制系統(tǒng)，其特征在于所述三相輸出平衡調(diào)節(jié)模塊包括AD采樣電路、輸出電壓波形控制模塊；輸出電壓波形控制模塊采用基于旋轉(zhuǎn)坐標變換的正序電壓控制器和負序電壓控制器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的UPS數(shù)字化控制系統(tǒng)，其特征在于所述故障保護系統(tǒng)包括輸入電壓和電流檢測電路、輸出電壓和電流檢測電路、電池電壓和電流檢測電路以及旁路/逆變切換電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的UPS數(shù)字化控制系統(tǒng)，其特征在于所述同步鎖相控制模塊包括通用的AD采樣電路、過零檢測電路和頻率捕捉單元。
6.根據(jù)權(quán)利要求f5任一項所述的UPS數(shù)字化控制系統(tǒng)，其特征在于所述通信模塊包括MCU (微控制器)顯示控 制板模塊和并機通信接口電路。
全文摘要
本發(fā)明公開了基于TMS320F2812的UPS數(shù)字化控制系統(tǒng)。系統(tǒng)包括DSP主控模塊、三相輸出平衡調(diào)節(jié)模塊、同步鎖相控制模塊、通信模塊和故障保護模塊。DSP主控模塊與同步鎖相控制模塊、三相平衡調(diào)節(jié)模塊、通信模塊和故障保護模塊雙向連接。實施本發(fā)明的大功率UPS數(shù)字化控制系統(tǒng)，功率開關(guān)管采用空間矢量調(diào)制(SVPWM)技術(shù)，系統(tǒng)實現(xiàn)對整流電路、功率因數(shù)校正電路和逆變電路的控制，抑制三相輸出不平衡，輸出高質(zhì)量的三相交流電壓，并可實現(xiàn)多臺并機，使得UPS具有更好的穩(wěn)定性和可靠性。
文檔編號H02J7/00GK103236729SQ20131015483
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月28日
發(fā)明者廖慧, 鄭炎坤, 張波, 陳艷峰 申請人:華南理工大學(xué)