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基于DSP全数字控制应急电源设计
发布时间:2010-9-18  浏览次数:1043 次  来源:上海愈翼电气科技有限公司

应急电源设计 摘要:基于高性能数字信号处理器(DSP)设计了全数字控制的智能型应急电源。首先给出了该应急电源的主电路拓扑,详述了其工作原理。其次介绍了基于TMS320LF2407 DSP芯片的控制电路硬件设计,分析了充电和逆变管理的软件设计,给出了主程序流程图。最后给出该应急电源的实验波形。

  关键词:不间断电源;充电;逆变器/数字信号处理器

  1 引言

  随着社会信息化、现代化的发展,对供电可靠性的要求越来越高,大型建筑,如机场、车站、会展中心、体育馆、政府机构办公楼及高层建筑等,一旦供电系统突然发生故障而中断供电,将会破坏社会的正常生活秩序,甚至造成重大的政治影响和经济损失。然而,电力故障突发性强,往往不以人的意志为转移,因为无论供电部门管理多严格,电网设施多先进,断电也在所难免。因此就需要做到电源的不间断,即供电线路停电时由备用电源供电。

  应急电源又称EPS(Emergency Power System),具有下述优点:①电网有电时,处于静态,无噪音;供电时,噪音小于60dB。不需排烟和防震处理,具有节能、无公害、无火灾隐患的特点。②自动切换,可实现无人值守。电网供电与EPS电源供电相互切换时间均为0.1~0.25s。③带载能力强。EPS适应于电感性、电容性、及综合性负载的设备,如电梯、水泵、风机、办公自动化设备、应急照明等。④使用可靠。主机寿命长达20年以上。⑤适应恶劣环境。可放置于地下室或配电室,也可紧靠应急负荷使用场所就地设置,以减少供电线路。

  本文介绍一种基于DSP对应急电源的充电和逆变等过程进行控制的设计方案。此外,利用DSP和51单片机的串口进行通信,设计了界面友好的人机接口,用户可通过人机接口启动、停止电源,使电源进入强迫逆变状态,了解电源的工作状态、故障类型和输出电压、输出电流等参数。

  2 应急电源工作原理

  图1

  示出应急电源的主回路电气原理图。电路板上电以后,根据6号检测通道判断电网电压是否正常。

  图中①——电池电压UH的检测点

  VI1~VI6——IGBT

  ②——充电电流ic的检测点

  KM1~KM5——继电器

  ③——逆变电流ib的检测点

  ④——逆变电压ub的检测点

  ⑤——电容电压uc的检测点

  ⑥——电网电压Us的检测点

  如果Us正常,系统先检测是否在逆变状态,若不在逆变状态,则要求外部主电路KM1吸合,KM5断开;若在逆变状态,则要先停止逆变,KM3,KM4断开,再要求外部主电路KM1吸合,KM5断开。同时 KM2吸合,负载开始由市电供电;认输入给变压器,变压器抽出两个抽头取出150V电压输入给单相整流桥ZL,ZL的输出端接有电容,使ZL的输出电压为输入电压的1.4倍,大约是210V左右,ZL输出的直流电通过电阻给电容C预充电,当Uc>200V后,要求KM4闭合,由市电直接给C充电,C充满后由 DSP控制VI1(VI2常断),经过电抗器和熔断器给电池充电。

  如果Us不正常,即存在欠压或过压,则KM1, KM2,KM4断开,KM3,KM5闭合,由于在充电过程中 uc高于UH,所以需在蓄电池放电之前先对C放电,当uc接近UH时,KM4闭合,此时VI3~VI6由DSP控制,负载由电源供电。检测点④为ub检测点,ub的有效值U6≈100V时为正常电压;若不符合,需在软件中通过PID算法进行调整。检测点③为ib检测点, ib>30A时为过流故障状态。

  由此可见,该应急电源可通过DSP实时检测 Us,实现自动切换,在市电异常时及时对负载供电。

  3 DSP硬软件设计

  该电源的中心控制处理电路是以DSP为核心的控制系统,它由TMS320LF2407型DSP、采样电路、驱动电路、故障监测和处理电路、串口通信电路等组成。EPS电源的各种功能是在此基础上,通过软件编程实现的。软件主要完成①检测各种模拟和数字输入量;②对输入的信息进行运算和处理;③充电管理和逆变控制;④安时计算和串口通信等功能。

  3.1 TMS320LF2407简介[1]

  TMS320LF2407是美国TI公司推出的一种低价格、高性能的16位定点运算DSP,TMS320LF2407的性价比极高,EPS消防应急电源,目前已成为高档单片机的理想替代品,因其内部集成的PWM模块,使其在电机控制、仪器仪表、电力电子、工业控制等领域得到了广泛应用。TMS320LF2407的主要性能有:①晶振为30MHz时的指令周期为33ns。②可扩展的外部存储器总共为192K。其中64K为程序存储器,64K为数据存储器,64K为I/O寻址空间。③丰富的片内资源。含10位A/D转换模块、控制器局域网络(CAN)2.0B模块、串行通信接口、16位的串行外设接口模块等。④有两个事件管理器模块EVA和EVB,每个含两个 16位通用定时器和8个16位的PWM通道。⑤强大的指令集。有单周期乘/加旨令,块移动、多条件转移和调用等指令。⑥遵循IEEEll49.1标准的片内 JTAG仿真逻辑。

  3.2 硬件设计[2]

  硬件电路采用以DSP芯片TMS320LF 2407 为核心的设计。它包括:

  (1)电压电流采样 应急电源对电压的采样是通过差分电路实现的。图2

  示出电压采样的差分电路。对电流的采样是通过霍尔电流传感器经过滤波、电平调整后实现的。本设计中,交流量需计算其有效值,是通过对瞬时采样值的整流、滤波实现的。

  图2

  中 R1~R8=2MΩ R9=R10=100kΩ R11=10kΩ C1~C3=0.01μF

  (2)IGBT驱动 DSP对充电控制采用EVA模块的定时器1的PWM比较输出,对逆变控制采用 EVA模块的比较单元1和比较单元2的比较输出。 IGBT驱动通过专用驱动芯片EXB840实现。 EXB840是混合IC,内部具有光耦信号隔离电路和过流保护电路,能驱动高达150A/600V的IGBT和高达75A/1.2kV的IGBT,最高开关频率达40kHz。

  (3)一般I/O信号的处理 DSP通过通用I/O口采集和输出各种信号。消防、开机、强迫逆变、停止、备用等输入信号,通过光电隔离电路送至I/O口。继电器、接触器的控制信号由I/O口经辅助继电器输出。

  (4)故障监测 该应急电源对电池过压欠压、逆变器过压、逆变器过流、IGBT故障等严重故障,专门设计了硬件锁死电路,系统上电时,其被清零,故障到来时,将其置位,同时封锁PWM输出,引发故障中断,在故障中断程序中检测故障类型。对一般故障则采用查询方式。

  (5)串口通信 DSP将采样电路采集的ic,UH, ih,ub等参数以及监测到的故障类型、系统的工作状态通过异步串行口输出至人机接口单元。

  3.3 软件设计

  该系统在主程序中检测Us,并置系统状态:①充电状态为状态1,此时使能定时器1的比较输出,禁止其它PWM比较输出;②逆变状态为状态2,此时禁止定时器1的比较输出,使能比较单元的 PWM1~PWM4的比较输出。另外,还有一个状态0,作为状态1和状态2转换的中间状态,此时关闭所有的PWM输出通道。当Us正常时,eps应急电源,若电源处在状态2,则需经状态0再进入状态1;同样,当Us异常时,若电源处在状态1,则需经状态0再进入状态2。当uH低于其最低放电电压时,电源即退出运行,进入待机状态。图3

  示出主程序流程图。

  系统利用定时器每100μs申请一次PWM中断,即调制频率为10kHz,在中断服务程序中,根据状态标志位判断是状态1,还是状态2,分别调用充电管理子程序和逆变管理子程序。在中断服务程序中还设置了安/时计算计数器和数据传输计数器,当计数到一定值后,分别设置安/时计算标志位和数据传输标志位(安/时计算计数到10000,即1s计算一次安/时,数据传输计数到200,即20ms传输一次数据),在主程序中根据标志位判断是否调用安/时计算子程序和数据传输子程序。

  对蓄电池的充电采用恒流和恒压充电,即在充电的第一阶段实施均充,即由DSP控制以恒定的 5A电流给电池组充电。当电池充到每节12.5V时,充电过程转为第二阶段的涓充状态,涓充电流的大小为0.5A;当电池组充电至每节13V后,系统进入浮充状态,浮充阶段采用恒压充电,即维持UH每节13V不变。

  逆变管理采用SPWM[3]技术,调制 频率为10kHz,输出电压u0采用电压有效值反馈,其中给定电压逐步增加,u0采样后用软件完成整流滤波,由DSP通过PID算法调节。

  4 实验结果

  图4

  示出市电正常供电情况下瞬间掉电时,逆变输出端经过滤波后测得的正弦波。由图可知,应急电源启动后,输出频率为50Hz的正弦波,其幅值逐渐增大,在第4个周期后逐渐趋于稳定,这与逆变管理程序中给定电压的逐步增加相符。

  5 结束语

  基于DSP芯片TMS320LF2407对应急电源的充电和逆变等过程进行控制,并通过实时检测电网电压实现停电后的自动切换,达到了一定的智能化程度。

  参考文献:

  [1] 刘和平, TMS320LP240x DSP 结构、原理及应用[M]北京:航空航天大学出版社,2002.

  [2] 张雄伟,陈亮,徐光辉.DSP芯片的原理与开发应用(第3版)[M].北京:电子工业出版社,2003.

  [3] 黄俊,王兆安.电力电子变流技术[M].北京:机械工业出版社,1999.

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