CN203311196U - 基于tms320f2812的ups数字化控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了基于TMS320F2812的UPS数字化控制系统。系统包括DSP主控模块、三相输出平衡调节模块、同步锁相控制模块、通信模块和故障保护模块。DSP主控模块与同步锁相控制模块、三相平衡调节模块、通信模块和故障保护模块双向连接。实施本实用新型的大功率UPS数字化控制系统，功率开关管采用空间矢量调制（SVPWM）技术，系统实现对整流电路、功率因数校正电路和逆变电路的控制，抑制三相输出不平衡，输出高质量的三相交流电压，并可实现多台并机，使得UPS具有更好的稳定性和可靠性。

Description

基于TMS320F2812的UPS数字化控制系统

技术领域

本实用新型涉及数字化不间断电源 (UPS)技术领域，具体涉及基于32位DSP TMS320F2812的三相在线式大功率UPS控制系统。

背景技术

随着重要部门、大型用电设备对高品质电源需求的日益增多，同时为了减少由于电力电子设备大量使用所带来的谐波污染，UPS得到了日益广泛的应用。UPS综合了先进的功率变换、数字控制、PWM（脉宽调制）、EMC（电磁兼容）、冗余并机、电池智能管理和新工艺等技术，目前正在朝高频化、全数字化、智能化、网络化、绿色化、模块化等方向发展。在良好的市场前景条件下，随着电力电子技术的发展，UPS系统设计理念将不断深化和发展。UPS使用IGBT 或MOSFET功率器件，使其走向高频化、高效率；采用冗余技术，进一步增强了UPS的容量和可靠性，而智能化UPS技术不仅提供高可靠的电源网络化管理，也为电源节能提供了一种解决方案。

目前，在UPS电源方面，外资品牌和我国电源企业正在市场和技术上展开着激烈的竞争，如果产品功能强大但价格过高，没有好的性价比也很难立足市场。实现UPS的高频化、数字化、智能化和模块化核心就是控制技术的研究，研究UPS的控制技术，获得高质量的输出电压波形的质量是UPS电源技术的研究热点之一。

实用新型内容

本实用新型提出了一种基于TMS320F2812的高性价比的UPS数字化控制系统，实现了对10KVA~500KVA的UPS的控制，本实用新型通过如下技术方案实现： 

基于TMS320F2812的UPS数字化控制系统，其包括基于TMS320F2812主控模块、同步锁相控制模块、三相输出平衡调节模块、通信模块和故障保护模块，所述DSP主控模块与同步锁相控制模块、三相输出平衡调节模块、通信模块和故障保护模块双向连接。

进一步的，所述主控模块包括前置处理电路、AD采样电路、空间矢量脉宽调制（SVPWM）信号发生电路、整流控制电路和逆变控制电路；AD采样电路与前置处理电路相连，SVPWM信号发生电路分别与整流控制电路、逆变控制电路连接，整流控制电路与逆变控制电路相连接。同步锁相控制模块分别与整流控制电路、逆变控制电路连接。

进一步的，所述三相输出平衡调节模块包括AD采样电路、输出电压波形控制模块；输出电压波形控制模块采用基于旋转坐标变换的正序电压控制器、负序电压控制器。

进一步的，所述故障保护系统包括输入电压和电流检测电路、输出电压和电流检测电路、电池电压和电流检测电路以及旁路/逆变切换电路。

进一步的，所述同步锁相控制模块包括通用的AD采样电路、过零检测电路和频率捕捉单元。

进一步的，所述通信模块包括MCU（微控制器单元）显示控制板模块和并机通信接口电路。

进一步的，所述通信模块中的显示控制板模块采用Philips公司的P89LPC938芯片。

本实用新型的工作原理详述如下：

所述DSP主控模块，产生SVPWM波形驱动功率开关管IGBT。前置处理电路与AD采样电路连接，前置处理电路主要完成对输入输出的电压、电流的降压及偏置处理，使得电流信号能够转换成对应的电压信号，同时使进入DSP的电压信号幅值在AD模块输入的允许电压范围之内。TMS320F2812具有两个AD转换模块，有多达16个模拟输入通道，可配置同时或顺序采样模式，能够满足高速采样及实时系统的需求。SVPWM信号发生电路利用TMS320F2812的两个事件管理模块实现SVPWM波形输出。整流控制电路和逆变控制电路采用相同的、可互换的结构设计。TMS320F2812通过产生SVPWM波形驱动整流控制电路、逆变控制电路中的IGBT，实现对整流控制电路、逆变控制电路的调制。

所述同步锁相控制模块逆变控制电路连接，在逆变控制电路中实现了UPS输出电压实时跟踪市电，使UPS与市电同步运行，保证了旁路逆变切换的平稳连续。同步锁相控制模块中采用了一种通用的过零检测电路，将采样到的信号整形偏置，然后利用TMS320F2812事件管理器中的捕捉单元，通过PI（比例积分）调节算法，实现 UPS输出电压与市电的同步。

所述三相输出平衡调节模块包括采样电路和输出电压波形控制模块。UPS输出电压波形控制模块与DSP主控模块连接，具体地，与DSP主控模块中的SVPWM信号发生电路和逆变控制电路相连接。输出电压波形控制模块中包括正序电压控制器、负序电压控制器。三相输出平衡调节模块有效地抑制了不平衡负载引起的输出电压畸变，保证了UPS在任意不平衡负载下仍能维持三相平衡的输出电压，获得高质量的输出电压波形。

所述通信模块包括由MCU显示控制板模块、并机通信接口电路。MCU显示控制板模块采用Philips公司的P89LPC938作为显示控制芯片，通过与TMS320F2812的GPIO接口相连接，可查询设置当前UPS的运行状态。并机通信接口电路与TMS320F2812的GPIO接口连接，采用较少的通信线，交互公共同步信号和输出电压的信息，有利于UPS的并机和模块化。

所述故障保护模块通过对输入电压、和电流检测，输出电压和电流检测，电池电压和电流检测，旁路/逆变切换等对运行中可能出现的过压、过流或欠压、欠流等故障进行精确定位，并采取相应的措施来保护整个系统。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和技术效果：本实用新型的大功率UPS数字化控制系统结构简单，容易实现，采用SVPWM技术，提高了直流电压利用率和减少了谐波污染；有较高的功率因数校正能力；解决了三相输出不平衡问题和多台UPS并机问题，使得UPS具有较高的性价比、更好的稳定性和可靠性，对于促进UPS的高频化、智能化、绿色化发展具有积极的意义。

附图说明

图1是UPS数字化控制系统的总体结构图；

图2是UPS数字化控制系统的功能框图；

图3是UPS数字化控制系统的电路结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型具体实施作进一步说明，但本实用新型的实施方式和保护范围不限于此。

如图1，在UPS数字化控制系统的总体结构图中，包括DSP主控模块、同步锁相控制模块、三相输出平衡调节模块、通信模块和故障保护模块。DSP主控模块与同步锁相控制模块、三相输出平衡调节模块、通信模块和故障保护模块双向连接。

如图2，所述的UPS数字化控制系统分为五大模块的实现如下：

所述DSP主控模块，根据实现功能将其分为前置处理电路、AD采样模块、SVPWM信号发生器、逆变控制模块和整流控制模块。整个系统如图3所示，DSP主控模块是整个系统的控制核心，前述AD采样模块以及SVPWM信号发生器可利用TMS320F2812实现；逆变控制模块以及整流控制模块的控制算法，可同时在DSP编程实现。前置处理电路与AD采样电路连接，前置处理电路主要完成对输入输出的电压、电流的降压及偏置处理，使得电流信号能够转换成对应的电压信号，同时使进入DSP的电压信号幅值在AD模块输入的允许电压范围之内。TMS320F2812具有两个AD转换模块，有多达16个模拟输入通道，可配置同时或顺序采样模式，能够满足高速采样及实时系统的需求。信号经AD模块采集之后，还对数据做了线性校正处理，使采样的数据更加准确。SVPWM信号发生电路利用TMS320F2812的两个事件管理模块实现SVPWM波形输出。事件管理器A通过产生6路SVPWM信号驱动整流控制电路中的IGBT，事件管理器B通过产生6路SVPWM信号驱动逆变控制电路中的IGBT。两个6路SVPWM信号的产生机理相同，因为整流控制电路和逆变控制电路采用相同的、可互换的结构设计，其电路原理相同。这样就实现了一个DSP芯片控制UPS系统中整流部分和逆变部分的效果，节约了成本。

SVPWM信号发生电路是DSP主控模块的核心部分，本实用新型采用SVPWM技术来实现功率开关管IGBT的调制，SVPWM是利用三相电压基本矢量去逼近矢量电压圆，可以得到等效三相正弦波形。与常规SPWM（正弦脉宽调制）方式相比SVPWM有如下优点：（1）直流电压利用率较高，提高了15%；（2）在相同的波形品质条件下，SVPWM调制方式具有较低的开关频率，有效降低IGBT的开关损耗；（3）SVPWM调制方式具有更好的动态性能，能有效降低电压、电流谐波。TMS320F2812中的事件管理器模块内置SVPWM信号发生器，用此模块来产生五段式SVPWM信号，可以大大降低产生SVPWM波形的运算量。

所述同步锁相控制模块，根据实现功能分为波形调理电路和同步锁相控制模块。波形调理电路将市电以及输出电压的正弦波形转换成同频率的方波，输入到DSP芯片的捕捉单元输入端口，用于检测市电以及输出电压的相位差。同步锁相控制模块主要在DSP芯片里面，利用前述计算得到的相位差，通过PI控制，实现了UPS输出电压与市电的同步。在同步锁相中，采用了“先调频率后调相位”的方法，有效解决了输出电压与旁路电压同频、同相位的问题。

所述三相输出平衡调节模块，它是由采样电路和输出电压波形控制模块组成的。UPS输出电压波形控制由DSP实现，模块输出的控制量可用于控制输出的SVPWM信号。输出电压波形控制模块将不平衡的输出电压先通过FFT（快速傅里叶变换）计算，得到基波和谐波分量，然后将基波分为正序电压分量、负序电压分量和零序电压分量，正序电压分量在在正序旋转坐标系下通过PI控制器的无静差控制，得到了平衡的输出电压波形；负序电压分量在负序旋转坐标系下通过PI控制器的无静差控制，消除了逆变电源在不平衡负载下的负序电压畸变。对谐波分量也做类似的处理，抑制住输出电压的低次谐波分量。将上述PI控制器的输出叠加之后，获得关于逆变电压的控制量，产生相应的SVPWM波形，SVPWM波形再经过IGBT驱动电路驱动逆变器的六个桥臂，可得到三相平衡的输出电压。解决了UPS带不平衡负载时输出电压不平衡的问题，保证了UPS输出电压良好的波形质量。

所述通信模块，包括MCU显示控制板模块和并机通信接口电路。MCU显示控制板模块采用P89LPC938作为显示控制芯片，通过与TMS320F2812的GPIO（通用输入/输出）接口相连接查询设置当前UPS的运行状态，运行状态包括逆变输出状态、旁路输出状态、维修状态、故障状态。并机通信接口电路与TMS320F2812的GPIO（通用IO口）接口连接，采用较少的通信线，交互公共同步信号和输出电压的信息，通过判断其它UPS的静态开关控制状态来控制自身的静态开关，有利于UPS的并机和模块化。为了防止干扰，各信号的发送/接收都采用了光耦隔离。

所述故障保护模块，它是由各检测模块组合而成的。模块根据对输入电压和电流检测、输出电压和电流检测、电池电压和电流检测、旁路/逆变切换检测，判断运行中可能出现的过压、过流或欠压、欠流等故障进行精确定位，并采取相应的措施：（1）当负载在起动时电流过大或浪涌电流超过限定值时，将逆变输出切换到市电供电。（2）当逆变器发生过压、过载、失真或故障时，自动切换到市电供电。（3）当负载正常或逆变器恢复正常后，能自动切换到逆变器供电。

Claims (6)

1.基于TMS320F2812的UPS数字化控制系统，其特征在于包括基于32位DSP TMS320F2812主控模块、同步锁相控制模块、三相输出平衡调节模块、通信模块和故障保护模块，所述主控模块与同步锁相控制模块、三相输出平衡调节模块、通信模块和故障保护模块双向连接。

2.根据权利要求1所述的UPS数字化控制系统，其特征在于所述基于32位DSP TMS320F2812主控模块包括前置处理电路、AD采样电路、空间矢量脉宽调制信号发生电路、整流控制电路和逆变控制电路；AD采样电路与前置处理电路相连，空间矢量脉宽调制信号发生电路分别与整流控制电路、逆变控制电路连接，整流控制电路与逆变控制电路相连接。

3.根据权利要求1所述的UPS数字化控制系统，其特征在于所述三相输出平衡调节模块包括AD采样电路、输出电压波形控制模块；输出电压波形控制模块采用基于旋转坐标变换的正序电压控制器和负序电压控制器。

4.根据权利要求1所述的UPS数字化控制系统，其特征在于所述故障保护模块包括输入电压和电流检测电路、输出电压和电流检测电路、电池电压和电流检测电路以及旁路/逆变切换电路。

5.根据权利要求1所述的UPS数字化控制系统，其特征在于所述同步锁相控制模块包括通用的AD采样电路、过零检测电路和频率捕捉单元。

6.根据权利要求1~5任一项所述的UPS数字化控制系统，其特征在于所述通信模块包括微控制器显示控制板模块和并机通信接口电路。

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