嵌入式的在線式數(shù)字不間斷電源設(shè)計(jì)研究

丁犇

摘 要：雖說從現(xiàn)如今形式來看，我國也對(duì)DSP和UPS相關(guān)領(lǐng)域中進(jìn)行研究，并在原有的基礎(chǔ)上取得了一定的成績(jī)。但這些改良方式無非是讓DPS承擔(dān)了大量任務(wù)，在軟件上更是需要多個(gè)中斷程序進(jìn)行全面協(xié)調(diào)，很大程度上影響了計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度。對(duì)此，該文結(jié)合實(shí)際情況，首先闡述了整個(gè)系統(tǒng)方案和相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，對(duì)硬件電路相關(guān)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了全面介紹，并在原有的基礎(chǔ)之上，對(duì)系統(tǒng)控制軟件進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計(jì)，旨在對(duì)嵌入式在線式數(shù)字不間斷電源設(shè)計(jì)進(jìn)行了全面研究。

關(guān)鍵詞：UPS FPGA DSP 大功率 數(shù)字化

中圖分類號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）05（a）-0026-02

在現(xiàn)如今，市面上的小型UPS很難做到大功率運(yùn)行，這主要是由于兩方面的原因所導(dǎo)致，（1）當(dāng)前我國蓄電池技術(shù)非常有限。（2）雖說我國當(dāng)前也是用單片機(jī)當(dāng)做控制器，但因?yàn)槭苓\(yùn)算能力的限制，不能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量供電，而且非常難以實(shí)現(xiàn)功能化與智能化。所以說，將DPS當(dāng)做控制中心的時(shí)候，應(yīng)該將其相關(guān)數(shù)據(jù)處理，控制調(diào)節(jié)方面的相關(guān)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行全面突顯，最終將其優(yōu)勢(shì)加以充分發(fā)揮。

1 整個(gè)系統(tǒng)方案和相關(guān)技術(shù)指標(biāo)

1.1 UPS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

UPS的輸出有兩種方式，當(dāng)其出現(xiàn)異?；蛘叱d的時(shí)候，在市電通過EMI的濾波以后，會(huì)直接穿過旁路進(jìn)行負(fù)載供電，在正常情況下，市電經(jīng)過EMI的濾波之后，會(huì)整個(gè)穿過整流-逆變的通路向負(fù)載進(jìn)行供電，經(jīng)過這樣一個(gè)過程，市電就會(huì)從交流轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷髟俚浇涣麟姷倪^程，如果市電發(fā)生了異常，則會(huì)從蓄電池利用升電壓的方式，在逆變器中輸出電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電，因?yàn)樵谄渲羞\(yùn)用了數(shù)字控制技術(shù)的關(guān)系，令UPS的逆變器輸出電壓頻率，幅值與波形達(dá)到了非常高的精準(zhǔn)度。進(jìn)而在根本上保證了UPS在進(jìn)行正常工作的時(shí)候，能夠?qū)①|(zhì)量過關(guān)的電能輸出[1]。

1.2 系統(tǒng)硬件的整體規(guī)劃

系統(tǒng)硬件主要由控制電路與功率電路組成，其中控制電路具體包含了信號(hào)采樣設(shè)備，AD轉(zhuǎn)換設(shè)備，數(shù)字控制設(shè)備，外設(shè)驅(qū)動(dòng)設(shè)備，IGBT驅(qū)動(dòng)電路等等，可以把控制電路做成一個(gè)電路板，劍氣看做控制板。

功率電路依照供電方式分成兩個(gè)部分，在電網(wǎng)供電正常的情況下，在市電凈功率因數(shù)校正電路-逆變電路的形式進(jìn)行負(fù)載供電，當(dāng)市電電網(wǎng)出現(xiàn)異常的時(shí)候，其年能由蓄電池發(fā)出，因此整個(gè)電流和功率因數(shù)校正電路與逆變電路作為一塊電路板，將其看做成功率主板。

電池除了能夠保證市電正常運(yùn)行之外[2]，還會(huì)誒相關(guān)控制系統(tǒng)提供電源。之所以這樣，主要原因是在市電異常的時(shí)候，要在根本上保證相關(guān)控制系統(tǒng)的正常工作，因此利用電池為相關(guān)控制系統(tǒng)提供電能，是一種極為可靠的方案，所以說，在充電電路，輔助電源電池升壓的電源電路在一個(gè)電路板上，能夠看做成為電池的負(fù)壓，輔助電源板和充電電源板。

2 硬件電路相關(guān)設(shè)計(jì)方案

2.1 有源功率因數(shù)矯正電路的基本結(jié)構(gòu)

有源功率因數(shù)校正電路的相關(guān)基本機(jī)構(gòu)詳見圖3，依照DC/DC電路的差異情況，能夠?qū)F(xiàn)有的有源功率的校正電路分成降壓，升壓，和反激型三種[3]。

2.2 功率元件的相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)

功率元件的選取是整個(gè)APFC電路中的關(guān)鍵所在，要將現(xiàn)有參數(shù)中的L＼C進(jìn)行全面測(cè)定，因?yàn)樽畲蠊β瘦敵龅年P(guān)系，因此就要求所選擇的元件功率能夠?qū)㈦娏髋c電壓，值得一提的是，元件的參數(shù)對(duì)輸出電波會(huì)造成一定的影響，人體、同時(shí)也失敗性能情況優(yōu)良與否的關(guān)鍵因素。

生涯電感在根本上決定了輸入的波紋電流，就此根據(jù)限制直流脈動(dòng)是最小原則對(duì)升壓電感進(jìn)行設(shè)計(jì)，加設(shè)輸出功率為最大值，輸入電壓最小是，輸入電流最大值， 輸入電波紋也是最大的，為了在根本上將這種情況加以全面保證，輸入的電流紋波要滿足相關(guān)要求。

2.3 驅(qū)動(dòng)電路的相關(guān)設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路不但要將功率因數(shù)矯正的相關(guān)功能加以實(shí)現(xiàn)[4]，還要具備一定的保護(hù)措施，在根本上保證用戶以及開關(guān)管的安全性。對(duì)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行簡(jiǎn)化，相關(guān)設(shè)計(jì)采用了APFC集成芯片。國外一家公司聲場(chǎng)的NCP1654，能夠在一定的開關(guān)頻率下正常工作，利用CCM模式，更加容易實(shí)現(xiàn)EMI的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，能夠在根本上將射頻噪聲進(jìn)行有效控制，杜絕其他設(shè)施引起的污染現(xiàn)象出現(xiàn)。

NCP1654經(jīng)過第六腳FB對(duì)輸出電壓進(jìn)行樣本采集，和內(nèi)部基準(zhǔn)電壓相比奇偶，會(huì)得出第三腳BO收集到的輸出電壓和相關(guān)差值，這些會(huì)一并送到內(nèi)部乘法器中。這樣一個(gè)步驟就構(gòu)成了CCM相關(guān)模式的外部調(diào)節(jié)，乘法器輸出是內(nèi)部電流中比較器的信號(hào)，和第二腳CS中得到的電流與電壓相關(guān)情況進(jìn)行比較，能夠在根本上實(shí)現(xiàn)CCM模式中的內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)，在此之后，在PWM中昌盛的電路會(huì)在第八腳DRV輸出成為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，令被控制的電流和電壓成為同相位。

2.4 控制器電路

控制器利用FPGA+DSP的結(jié)構(gòu)形式將DSP看做成為中心控制板設(shè)備[5]，使用FPGA的外展成為通用的接口。控制器中電路組成部分主要是由RAM，F(xiàn)PGA和DSP組成，F(xiàn)PGA+DSP相關(guān)結(jié)構(gòu)中控制器能夠良好的將DSP運(yùn)算進(jìn)行結(jié)合，在根本上實(shí)現(xiàn)了控制算法能力與FPGA的接口能將在同一時(shí)間內(nèi)把多個(gè)外設(shè)能力進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。利用科學(xué)化分配兩者所承擔(dān)任務(wù)，能夠在根本上實(shí)現(xiàn)控制器高效穩(wěn)定的相關(guān)性能。

2.5 旁路的轉(zhuǎn)換電路

當(dāng)UPS在正常工作狀態(tài)的時(shí)候，會(huì)從逆變的電路轉(zhuǎn)向用電負(fù)荷負(fù)載進(jìn)行供電，但值得注意的是，在UPS出現(xiàn)了過流，過載揮著系統(tǒng)異常的額時(shí)候，UPS就會(huì)從靜態(tài)開關(guān)自動(dòng)的切換到輸出，市電電網(wǎng)會(huì)直接轉(zhuǎn)化為用電負(fù)載供電。

UPS中最為重要的部件就要數(shù)靜態(tài)開關(guān)了[6]。靜態(tài)開關(guān)除了能夠起到一定的保護(hù)作用之外，還是其供電方式重要的轉(zhuǎn)換器件。在根本上將用電負(fù)載與UPS的安全性進(jìn)行保證，從另外一個(gè)方面來看，靜態(tài)開關(guān)是逆變電路輸出和市電旁路輸出重要的轉(zhuǎn)換器，如果逆變輸出和旁路輸出額切換時(shí)間是0的時(shí)候奇偶，UPS就會(huì)達(dá)到不斷供電的效果，因此，旁路開關(guān)的相關(guān)轉(zhuǎn)換就在于怎樣實(shí)現(xiàn)不間斷切換輸出通路，與此同時(shí)還要講用戶堵在與UPS通路切換安全進(jìn)行全面保證。

3 系統(tǒng)控制軟件的相關(guān)設(shè)計(jì)

3.1 主程序

對(duì)主程序進(jìn)行全面設(shè)計(jì)的根本目的在于，保證各個(gè)系統(tǒng)之間功能的正常運(yùn)行，為了避免在運(yùn)行的時(shí)候發(fā)生沖突，要求對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的相關(guān)狀況進(jìn)行及時(shí)的反應(yīng)，所以說，在對(duì)主程序進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，不但要將相關(guān)系統(tǒng)流程要求進(jìn)行全面考慮，同時(shí)還要將每個(gè)子程序的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行科學(xué)的度量。

主程序依照運(yùn)行的相關(guān)流程，要求將每個(gè)子功能程序進(jìn)行合理組織與分配，在主程序中，主要執(zhí)行的子操作有：參數(shù)初始化，外設(shè)初始化，系統(tǒng)自我檢測(cè)，監(jiān)測(cè)信號(hào)的采集，運(yùn)行狀態(tài)的判斷等等。

3.2 逆變電路的驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)

該實(shí)驗(yàn)利用EVB和DSP相關(guān)事件管理模塊對(duì)其產(chǎn)生出來的SPWM進(jìn)行詳細(xì)說明，因?yàn)槟孀冸娐返尿?qū)動(dòng)需要使用4路SPWM信號(hào)。電池在放電的時(shí)候需要2電路SPWM信號(hào)，因此，利用EVB的相關(guān)事件模塊中的比較單元產(chǎn)生的SPWM波形進(jìn)行說明。

將GP定時(shí)器3設(shè)置成為連續(xù)的減/增計(jì)數(shù)模式，并利用周期寄存器Ian個(gè)裝載波周期進(jìn)行安裝，這樣做的目的是為了在根本上實(shí)現(xiàn)SPWM調(diào)制的高頻率再逼麻將定時(shí)器4設(shè)置成為連續(xù)遞增計(jì)數(shù)模式。利用其自身溢出的中段子程序的參考信號(hào)，反饋信號(hào)，逆變輸出算法和信號(hào)的脈沖寬度。通過定時(shí)設(shè)備中的相關(guān)中斷程序，能夠在根本上將高頻載控制算法進(jìn)行全面適應(yīng)，令調(diào)節(jié)SPWM信號(hào)和載波平率成為整數(shù)倍數(shù)。利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)周期，在根本上將算法調(diào)節(jié)速度進(jìn)行全面控制。

3.3 逆變輸出的控制方式

為了在根本上實(shí)現(xiàn)逆變電路輸出的交流電壓相位和市電交流電壓的相關(guān)相位總是保持一致，能夠通過不斷將正選信號(hào)調(diào)整的方式，令其將市電平率與相位來實(shí)現(xiàn)這一最終目的。初次參考信號(hào)在主程序中的自我檢測(cè)緩解，依照開機(jī)時(shí)間輸入的市電頻率以及相位進(jìn)行確定，在此以后，要依照市電輸入的相關(guān)變化情況，將正選信號(hào)與頻率相位進(jìn)行全面調(diào)節(jié)。

具體方式主要分為兩種：相位與頻率的同步調(diào)節(jié)和相位與頻率的分步調(diào)節(jié)。在兩個(gè)調(diào)節(jié)過程中，我們能夠獲悉，前者相關(guān)鎖相速度與動(dòng)態(tài)響應(yīng)的特性情況要好于后者，但前者從運(yùn)算量上來看要明顯優(yōu)于后者，所以說要有相對(duì)高的運(yùn)算能力作為處理器支持。在本實(shí)驗(yàn)中涉及到的DSP系統(tǒng)時(shí)鐘為120兆赫，能夠在根本上滿足這一要求。

3.4 電池充放電的電路驅(qū)動(dòng)軟件

對(duì)于電池放電過程的相關(guān)驅(qū)動(dòng)，同樣能夠利用SPWM的方法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，和逆向變電驅(qū)動(dòng)不同的是，主要體現(xiàn)在放電和充電的過程驅(qū)動(dòng)。兩者分別需要不同的SPWM信號(hào)加以支持。相關(guān)實(shí)現(xiàn)范式和逆變電路軟件極為相似，同樣使用了EVB事件中管理模塊進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。相關(guān)控制的計(jì)算方式在GP定時(shí)器4中段子程序中來執(zhí)行， 在該程序中們只需要將SPWM信號(hào)所占的空間比進(jìn)行調(diào)節(jié)，蓄電池在進(jìn)行放電運(yùn)行的過程中需要對(duì)相關(guān)情況進(jìn)行全面判斷，其工作模式一般都在主程序中完成。

4 結(jié)語

綜上所述，該文在一定程度上完了對(duì)UPS中的軟件與硬件進(jìn)行了全面設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了特定的功能，但本文僅對(duì)功率較大的UPS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了初步嘗試，現(xiàn)對(duì)嵌入式再現(xiàn)式數(shù)字不間斷電源設(shè)計(jì)工作進(jìn)行了展望。

（1）為了在根本上將更大的功率容量進(jìn)行全面設(shè)計(jì)，應(yīng)該在多UPS的并聯(lián)方面進(jìn)行全面研究。

（2）對(duì)于上位機(jī)軟件的相關(guān)設(shè)計(jì)，可以使用PC將UPS的運(yùn)行情況進(jìn)行全面檢測(cè)，并對(duì)具體的參數(shù)進(jìn)行調(diào)試。

（3）對(duì)于功率電路上的每個(gè)部分的相關(guān)控制方式，都要進(jìn)行深入性的研究，將控制化算法進(jìn)行全面優(yōu)化，令其精準(zhǔn)性更高。

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