基于DSP的新型掉電快速檢測系統(tǒng)

王俊偉，俞冬冬，吳秋軒

(杭州電子科技大學(xué)自動化學(xué)院，浙江杭州310018)

0 引言

交流電檢測電能質(zhì)量的檢測與切換技術(shù)是UPS的核心［1］。目前UPS的切換分為基于均值的切換技術(shù)和基于瞬時值的切換技術(shù)兩大類［2，3］?；诰档臋z測切換技術(shù)通常在快速性方面不理想，所以在UPS的掉電檢測中通常使用瞬時值檢測方案［4］。文獻5介紹了一種基于市電瞬時值的全數(shù)字化檢測切換方法，檢測和切換的時間很短，但不能檢測市電的波形失真，尤其當(dāng)市電有尖峰干擾時，容易造成誤動作。文獻6介紹了一種基于正弦平方和的快速掉電檢測方法，該方法要求市電波形必須是正弦，當(dāng)市電波形失真時難以檢測出來。文獻7，8介紹了一種基于模擬和數(shù)字結(jié)合的瞬時值檢測切換技術(shù)－硬件掉電捕獲技術(shù)，既可快速檢測市電停電、幅值或頻率超標(biāo)、又可檢測市電波形失真、抗干擾性好、可靠性高，但是由于硬件組成復(fù)雜，產(chǎn)品調(diào)試相對復(fù)雜，成本相對較高。本文介紹一種基于DSP的新型交流電掉電快速檢測技術(shù)。該設(shè)計結(jié)合了上述幾種方案的特點，依靠DSP強大的運算邏輯能力，在UPS市電掉電檢測環(huán)節(jié)通過軟件模擬硬件掉電捕獲檢測方案，減少了成本和體積，提高了可維護性、移植性和智能化程度［9］，契合了數(shù)字化的發(fā)展趨勢［10］。

1 系統(tǒng)設(shè)計

查閱了相關(guān)資料之后，在線式UPS中對于市電的檢測，一般使用硬件掉電捕獲技術(shù)，如圖1所示，其中市電經(jīng)變壓器T1降壓后再經(jīng)電阻R3和R4分壓，在R4上產(chǎn)生一個市電檢測信號，相位正好與市電相反。同時，DSP對市電進行鎖相跟蹤，其PWM6腳輸出一個與市電的頻率和相位都相同的SPWM波，該SPWM波經(jīng)電平移動和低通濾波器濾波后得到一個正弦信號，然后再經(jīng)電阻R7和R4分壓后在R4上得到一個基準(zhǔn)正弦電壓信號，該信號幅值恒定，相位與市電保持一致。當(dāng)市電不正常時，基準(zhǔn)正弦信號沒有變化，但輸入檢測變壓器的電壓發(fā)生變化，兩者在R4上疊加后幅值不為0，導(dǎo)致Q1、Q2必有一個導(dǎo)通，使得射極輸出低電平，在CAP3端產(chǎn)生瞬時脈沖，此時通過DSP的CAP端口捕獲該脈沖信號，就可以判別出市電波形是否有畸變，以確定UPS中電源的切換。

上述原理的硬件方案的有著廣泛的運用，但是隨著IC技術(shù)的發(fā)展，減小獨立元器件數(shù)量、降低成本、減小體積、增加數(shù)字化的程度是未來發(fā)展的方向，基于這些因素，設(shè)計了一種軟件占主導(dǎo)的檢測方案－軟件模擬標(biāo)準(zhǔn)正弦波比較方案，即用DSP模擬原本在純硬件中實現(xiàn)波形對比的過程:在DSP中制作標(biāo)準(zhǔn)市電波形的數(shù)據(jù)表格，通過在DSP中用軟件模擬標(biāo)準(zhǔn)正弦波與實際檢測到的交流電壓值進行同相位的對比，若出現(xiàn)偏差過大，則判斷為交流電波形出現(xiàn)畸變，需要切換電源。與硬件掉電捕獲檢測方案相比，具有元器件數(shù)量、成本、體積等方面的優(yōu)勢。

圖1 硬件掉電捕獲檢測電路

1.1 硬件設(shè)計

本方案對交流電信號的硬件檢測電路如圖2所示。市電經(jīng)變壓器T1降壓后，經(jīng)過整流橋D1整流變成全半波，后經(jīng)運放縮小至0－3.3V的DSP模數(shù)轉(zhuǎn)化范圍后接至DSP的AD檢測口。于DSP內(nèi)部進行AD轉(zhuǎn)換及后續(xù)的對比工作，當(dāng)?shù)綦娗闆r發(fā)生時，DSP中出現(xiàn)中斷，做出對應(yīng)的響應(yīng)操作。相比較硬件掉電檢測方案，本方案的硬件實現(xiàn)要容易很多。

圖2 交流電信號硬件檢測電路

1.2 軟件設(shè)計

由于在硬件電路中，交流電經(jīng)過整流后，正弦波變成了全半波，所以在軟件模擬中需要在DSP中建立與標(biāo)準(zhǔn)全半波幅值對應(yīng)的數(shù)值表作為比較的基準(zhǔn)線。在市電正常工作情況下，檢測到的波形應(yīng)該與標(biāo)準(zhǔn)全半波一一對應(yīng)，當(dāng)連續(xù)幾組數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大的出入時，認(rèn)定市電出現(xiàn)問題，由DSP輸出信號控制相關(guān)引腳，借由繼電器動作切換電源。

軟件流程如圖3所示，定義參數(shù)Count為離散采樣計數(shù)值，范圍0－99，參數(shù)Error1為信號偏差的累加計數(shù)值，初值為0，假設(shè)經(jīng)數(shù)字濾波后，有效檢測頻率為5kHz，由于我國市電標(biāo)準(zhǔn)是50Hz，可得每個市電正弦周期內(nèi)的采樣次數(shù)將一個市電周期內(nèi)對應(yīng)的正弦波形等分為100份，對應(yīng)Count的100個采樣點。在DSP中建立一個周期內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)全半波對應(yīng)的數(shù)列{an}a1，…，a100。同時實際檢測到的市電檢測值也建立數(shù)列{bn}b1，…，b100。

當(dāng)檢測到的實際市電bn與標(biāo)準(zhǔn)全半波an的大小對應(yīng)相等時，累加值Error1減1，并進入下一次循環(huán);當(dāng)檢測到的實際市電bn與標(biāo)準(zhǔn)全半波an的偏差大于某個閾值時，Error1加1。為避免電網(wǎng)上干擾信號，設(shè)定當(dāng)連續(xù)出現(xiàn)5次超出閾值，即可認(rèn)為市電供給出現(xiàn)斷電等錯誤，觸發(fā)軟件中斷。軟件部分的識別時間計算如下:

一般UPS切換繼電器的動作時間t2≤7ms，可得由市電出現(xiàn)異常至完成切換總時間t=t1+t2≤8ms，通常情況下，對UPS的切換時間的要求是10ms以內(nèi)，對于一般的用電設(shè)備，本交流電掉電檢測方案在理論上符合設(shè)計要求。

2 測試結(jié)果

測試中將采樣頻率設(shè)置在5kHz，即市電的每個正弦周期(經(jīng)整流后全半波)有100個檢測點。將系統(tǒng)采集到的市電波形數(shù)據(jù)傳送給上位機，經(jīng)MATLAB數(shù)據(jù)分析并建立模型得General model Sin4:

f(x)=a1*sin(b1*x+c1)+a2*sin(b2*x+c2)+a3*sin(b3*x+c3)+a4*sin(b4*x+c4)Coefficients(with 95%confidence bounds):

圖3 軟件模擬正弦波比較方案流程圖

示波器檢測到的實際全半波波形如圖4所示，MATLAB數(shù)據(jù)擬合的波形如圖5所示，通過兩者波形的相似度，可以得出:通過本檢測系統(tǒng)幾乎可以完全復(fù)現(xiàn)待測市電的波形，一旦出現(xiàn)偏差，相應(yīng)可觸發(fā)中斷，完成后續(xù)工作。通過與理想繼電器配合，完全達(dá)到實驗預(yù)期切換時間指標(biāo)。

圖4 示波器檢測到的市電波形

圖5 MATLAB數(shù)據(jù)擬合分析

3 結(jié)束語

本掉電快速檢測系統(tǒng)充分利用了DSP的快速邏輯運算功能，與硬件捕獲掉電檢測方案相比，精簡了元器件數(shù)量，降低了器件成本和體積，增加了系統(tǒng)功能，提高了可維護性、移植性和智能化程度，契合了UPS技術(shù)發(fā)展的發(fā)展趨勢，對其它相關(guān)設(shè)計具有參考意義。

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