数字在线互动式UPS设计

摘 要 本文中对数字单相在线互动式UPS调压输出的实现的原理做了简单介绍，对以DSP（TMS320F240）为内核的控制系统在整体设计中的实现的功能做了描述，对逆变器和整流充电器的设计的实现做了详细阐述，对它们的方案的选取、模型的确定都有介绍。最后，文章还对UPS各辅助电路，如UPS网络监控技术的设计研究情况做了简单描述。

关键词 不间断电源；逆变；数字控制；切换

中图分类号：TN86 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）042-023-01

1 系统总体设计方案

它主要包括四大功能模块：市电调压功能模块、充电器功能模块、逆变器功能模块、切换功能模块。除此之外，还包括相应的辅助电源和辅助功能及扩展功能电路。

本设计系统由UPS主电路拓扑结构、主控制单元、各种系统信号检测电路、保护电路、充电器、逆变驱动器、键盘及显示、远程通信接口等几部分组成。

针对不同类型UPS逆变器的特点，许多专家提出了各种UPS逆变控制方案，如传统的PID控制、三角波调制方法、自适应控制、重复控制、模糊控制等等。

目前市场上涌现的新型快速大容量的电子器件，为UPS的改进实现奠定了物质基础。在半导体技术发展的过程中，科学家们将半导体技术应用到UPS的制造中，发明了新型的静止变换式UPS它比旋转式UPS更先进。

2 基于DSP控制的设计

本设计选用的DSP主控芯片为TI（Texas Instruments）公司的TMS320LF240芯片，它的特点是信号处理的速度快及很强的数字控制功能。TMS320LF240主要由CPU、存储器和片上外设三部分组成。TMS320LF240的程序采用汇编语言编写，在程序初始化部分，对芯片内部寄存器进行设置。TMS320LF240的应用，极大地改善了电压无功控制器的性能。以DSP（TMS320F240）为内核的控制系统，主要负责UPS的正常运行，并通过RS-232协议与外界交换系统信息及控制指令等。

3 数字单相在线互动式UPS的调压输出的实现

由于系统方案只采用一块DSP，要求在编制程序构架时必须系统的考虑问题。从调压功能的实时性要求来看，电压幅值瞬变在幅值检测电路中是不能及时得到反映的，从系统设有快速掉电检测电路，可以及时检测电压瞬变，即调压程序没有必要太迅速，过于迅速敏感的调压对于系统运行不利。最后送入到目标的电压一般都比市电电压干净，没有杂质讯号。通常的输出交流电压应该稳定在220 V，且没有过多偏差。

4 逆变器和整流充电器的控制及其实现

4.1 逆变器的主电路结构

逆变器是UPS整个设计方案的主要部分。逆变器的作用是把直流电变换成交流电，从而给负载设备提供稳定持续的电源；而整流器的作用是把交流电变换成直流电，从而实现对蓄电池充电和给逆变模块供电。

单相桥式逆变器工作在单极性PWM方式下，工作模式为对称式单极性PWM。逆变器的主电路采用单相桥式逆变电路如图所示。

单相桥式逆变电路和整流充电器电路图

4.2 逆变器控制实现及构成

PWM技术是UPS控制技术的重点，PWM（全称为pulse-width modulation）也就是脉冲宽度调制技术。该技术的工作原理是利用一组宽度和相位不同的脉冲信号来与工业用电的正弦波电压等效。由DSP发出的SPWM的载波频率为20 KHZ，经过二阶低通滤波器输出的是波形良好的正弦，正弦基波频率在有市电时与市电锁相，无市电时由系统主振荡频率决定为50 HZ。此正弦信号作为控制器的电压给定信号。由于低通滤波器引入了微小的相位滞后，锁相环要进行补偿。

4.3 整流充电器电路

整流充电器由单相全控桥的两个桥臂的下管及上桥臂的续流二极管构成PFC式整流电路，整流充电器电路图。为了实现DCM模式PFC，要求在功率变换器开关频率一定（20 KHZ）时，变压器的漏抗不能太大，但这和逆变时的要求是相矛盾的。所以，变压器漏抗设计要兼顾整流和逆变两种状态的需要。系统中变压器原边的漏感约6 mH，折算到副边为6/18.82=17 uH。临界连续时变压器副边最大峰值电流发生为39.19 A。为了控制充电电流的大小，改变开关管的驱动脉宽，就可以整体上改变电感上电流的峰值点，使充电电流的平均值改变。因此，对充电电流的控制可归结为对Q3、Q7门极驱动脉冲宽度的控制。

这种形式的PFC电路的优点是电路结构简单，通过合理设计交流输入电压和直流母线电压，合理选择开关频率和变压器漏感就可以实现充电电流的控制和功率因数校正作用。缺点是开关管的电流应力较大。

整流充电器的控制采用了直流电压单环控制， 除了脉冲驱动和整流器主电路外，其它控制部分全部在DSP内部完成。

5 逆变器与充电器的切换

由DSP这种技术利用软件产生一个与市电锁相的标准SPWM信号，然后经过电平移动和有源滤波器滤波，再输出与市电相反的标准正弦交流信号，这个信号经过由R1、R3构成的分压电路，在R3上得到反映。本切换技术采用硬件电路检测市电异常，检测速度快，而用软件对市电异常进行分析，保证了复杂情况判定和处理的可行性、充分性，使得切换的可靠性得到提高，系统用一片DSP实现全数字化控制成为可能。

这种检测切换技术，不但可以很快检测到市电停电、幅值或频率超标，而且可以检测出市电波形的失真，体现出很强的抗干扰性和可靠的切换性。

6 小结

这是一套基于DSP的单相在线式数字化UPS的设计思路。以TMS320LF240芯片为主控制数字信号处理芯片的UPS正弦逆变控制器的硬件实现方案，并对硬件设计过程作了描述。

参考文献

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