引言

　　隨著計(jì)算機(jī)的普及和信息處理技術(shù)的廣泛應(yīng)用，不間斷電源UPS在關(guān)鍵負(fù)載連接至公共電網(wǎng)方面扮演著重要角色。它們旨在為處于任何正常或異常實(shí)用電源條件下的負(fù)載提供清潔、持續(xù)的電源。德州儀器(TI)TMS320F28335 DSP為在線UPS設(shè)計(jì)提供增強(qiáng)的、經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，可以高速執(zhí)行多種控制算法，從而使實(shí)現(xiàn)高采樣速率成為可能。
      本文實(shí)現(xiàn)了基于TMS320F28335的不間斷電源控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)能夠在單芯片中實(shí)現(xiàn)在線UPS的多控制環(huán)路，從而提高集成度并降低系統(tǒng)成本。數(shù)字控制還為每個(gè)控制器帶來(lái)可編程性、抗噪聲干擾和避免冗余電壓及電流傳感器的使用等優(yōu)點(diǎn)。DSP 可編程性意味著可以使用增強(qiáng)的算法更新系統(tǒng)以提高可靠性。

系統(tǒng)介紹

      UPS主要按工作方式來(lái)分類，它分為后備式、在線互動(dòng)式、在線式三大類。在線式UPS輸出多為正弦波，且電壓及頻率穩(wěn)定，所以它多被用在供電質(zhì)量要求很高的場(chǎng)所。本文所介紹的UPS供電系統(tǒng)是屬于在線式的，主要由輸入濾波器、充電器、DC/DC變換器、微控制器、逆變電路、輸入功率因素調(diào)節(jié)電路、RS232通訊接口、報(bào)警電路等部分組成。
      UPS系統(tǒng)的控制器采用TI公司推出的業(yè)界首款浮點(diǎn)TMS320F28335 DSP，它具有150MHz高速處理能力，具備32位浮點(diǎn)處理單元，單指令周期32位累加運(yùn)算，可滿足應(yīng)用于更快代碼開發(fā)與集成控制器的浮點(diǎn)處理器性能的要求。與前代的DSP相比，的F2833x浮點(diǎn)控制器不僅可將性能平均提升50%，還具有精度更高、簡(jiǎn)化軟件開發(fā)、兼容定點(diǎn)C28xTM控制器軟件的特點(diǎn)。該系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖１ 系統(tǒng)總體框圖

　　當(dāng)市電正常時(shí)，在線式輸入220V交流電壓，經(jīng)過(guò)EMI/RFI濾波后，被送到繼電器RY2。當(dāng)市電電源的電壓正常時(shí)，RY1繼電器處于閉合狀態(tài)。在此條件下，市電電源將分以下幾路去控制后級(jí)電路的運(yùn)行：
　　(I)市電直接經(jīng)交流旁路被送到常閉觸點(diǎn)繼電器RY2，然后向負(fù)載供電。這種情況一直維持到UPS執(zhí)行開機(jī)“自診斷”檢測(cè)操作后，通過(guò)微處理器的調(diào)控將UPS從市電供電狀態(tài)切換到逆變器供電狀態(tài)為止。
　　(II)經(jīng)充電器對(duì)UPS的內(nèi)置蓄電池組進(jìn)行充電。
　　(III)市電電源經(jīng)由保險(xiǎn)絲后，再經(jīng)帶輸入功率因數(shù)調(diào)節(jié)功能的整流濾波器，變成兩路直流電源。該直流高壓電源在逆變器內(nèi)經(jīng)正弦脈寬調(diào)制功率放大和高頻濾波后，變成一路幅值穩(wěn)定，頻率和相位同步跟蹤市電電網(wǎng)頻率和相位的高質(zhì)量的純正正弦電源，后通過(guò)輸出濾波器送到負(fù)載。
　　(IV)當(dāng)市電供電異常時(shí)，電池的電壓通過(guò)DC/DC變換器變成幅值高達(dá)±390V的直流高壓電源，然后再經(jīng)過(guò)逆變器，變換成交流正弦波供給負(fù)載。

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　本方案是利用TMS320F28335微控制器來(lái)設(shè)計(jì)UPS控制板的系統(tǒng)的電路。該系統(tǒng)是由母線電壓檢測(cè)電路模塊，幅值檢測(cè)電路模塊，電流峰值保護(hù)電路模塊，輔助電源監(jiān)測(cè)電路模塊，開、關(guān)機(jī)電路模塊，電壓檢測(cè)電路模塊，PWM產(chǎn)生電路模塊，繼電器控制電路模塊，外擴(kuò)存儲(chǔ)器模塊以及峰鳴產(chǎn)生電路模塊等組成。

母線電壓檢測(cè)模塊

　　母線電壓檢測(cè)電路模塊如圖2所示。分壓后的BUS電壓經(jīng)RC濾波后送往DSP的AD轉(zhuǎn)換引腳ADCINA2。分壓后的－BUS電壓經(jīng)反相器后，再經(jīng)RC濾波器送往DSP的AD轉(zhuǎn)換引腳ADCINA3。

幅值檢測(cè)電路模塊

幅值檢測(cè)電路如圖3所示，它用于逆變器輸出電壓、市電輸入電壓、負(fù)載電流幅值檢測(cè)。該電路采用正值單向有源精密檢波器實(shí)現(xiàn)的，采用有源精密檢波器的目的是從該檢波器輸出端得到的單性信號(hào)的幅值總是與輸入到檢波器的正弦波信號(hào)的幅值保持著嚴(yán)格的線性關(guān)系，用以消除一般二管檢波器在小信號(hào)輸入時(shí)可能產(chǎn)生的非線性失真。

圖2 母線電壓檢測(cè)電路模塊

圖3 幅值檢測(cè)電路模塊

電流峰值保護(hù)電路模塊

      電流峰值保護(hù)電路如圖4所示，功率板上的UPS輸出電源通過(guò)電流互感器后，以電壓形式表現(xiàn)電流大小的信號(hào)通過(guò)信號(hào)放大器后分三路走。一路經(jīng)過(guò)幅值檢測(cè)電路，送往DSP的ADCINA0引腳；一路經(jīng)過(guò)電流過(guò)零檢測(cè)電路后，送往DSP的GPIO75引腳；另一路經(jīng)過(guò)過(guò)載、短路保護(hù)電路。當(dāng)負(fù)載過(guò)載或短路時(shí)，PWM_OFF變?yōu)榈碗娖叫盘?hào)，就會(huì)立即關(guān)斷逆變器所需的兩路PWM波輸出，同時(shí)DSP將系統(tǒng)切換到旁路工作模式，起到迅速保護(hù)作用。

圖4 電流峰值保護(hù)模塊

輔助電源監(jiān)測(cè)電路模塊

　　輔助電源監(jiān)測(cè)電路如圖5所示，正常情況下，運(yùn)放的輸出經(jīng)上拉電阻箝位為5V，若12V電源因某種原因低于10V或5V電源因某種原因高于5V，則運(yùn)放的輸出會(huì)變?yōu)榈碗娖?，那么由于二管D的作用，PWM_OFF將會(huì)被拉到低電平，這樣就會(huì)關(guān)斷PWM輸出，起到保護(hù)作用。

開、關(guān)機(jī)電路模塊

　　系統(tǒng)的開、關(guān)機(jī)電路如圖6所示。當(dāng)按下開機(jī)按鍵時(shí)，經(jīng)分壓后的電池正電源經(jīng)開機(jī)按鍵、限流電阻、二管送到功率板上的開機(jī)電路，然后功率板產(chǎn)生12V、5V直流輔助電源，給控制板供電。當(dāng)DSP啟動(dòng)后，就掃描GPIO78引腳，查看是否真正開機(jī)。如果確認(rèn)是開機(jī)鍵被按下，那么就進(jìn)行“自檢”。當(dāng)按下“關(guān)機(jī)”鍵時(shí)，GPIO77為高電平，DSP掃描到該引腳為高電平的時(shí)候，就進(jìn)行關(guān)機(jī)操作。

電壓檢測(cè)電路模塊

　　電池電壓檢測(cè)電路模塊如圖7所示。電池組電壓經(jīng)分壓后，送往DSP的AD轉(zhuǎn)換引腳ADCINA4。

圖5 輔助電源監(jiān)測(cè)電路模塊

圖6 開、關(guān)機(jī)電路模塊