基于TMS320F2808的UPS信號控制

摘 要:當(dāng)今的電子產(chǎn)品對不間斷電源(UPS)的性能要求在不斷提高，因而對于不間斷電源來說，控制部分對信號處理的速度和精度要求也就越來越高，且要求對電網(wǎng)的影響最小。信號的控制和處理，自然而然就成為了其中最關(guān)鍵的因素。

關(guān)鍵詞:TMS320F2808 脈寬調(diào)制(PWM) 諧波分析 增益控制

中圖分類號:TP2文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1674-098X(2011)04(b)-0066-02

Abstract:In nowadays， the precision of the electronic product is constantly improved，so high quality and stable output is needed by the equipments，which is the load of the source.That lead to the quality of the uninterruptable power supply (UPS) should be improve，that means control part of the signal processing capability is required strictly.Thus the control of the signal processing will naturally become one of the most critical factor.

Keywords:TMS320F2808，pulse width modulation(PWM)，harmonic analysis， gain control

引言

UPS的作用是可以改良電網(wǎng)波形的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的輸出，在應(yīng)對多變環(huán)境下的能力也是很顯著的，為了能夠應(yīng)變各種復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，控制電路的重要作用也就不言而喻的體現(xiàn)出來。TI公司所推出的C2000系列芯片的功能定位就是用于工業(yè)控制，因而C2000在控制部分的性能能夠得到很好的體現(xiàn)，在本文介紹的系統(tǒng)中，采用了TMS320F2808(以下簡稱2808)做為主控芯片，2808在本系統(tǒng)的控制中能夠發(fā)揮其本身的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)信號的準(zhǔn)確高精度的控制。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)框架

系統(tǒng)的整體框架如下所示，2808輸出標(biāo)準(zhǔn)的SPWM(按正弦規(guī)律調(diào)制的PWM)經(jīng)過IGBT驅(qū)動電路后經(jīng)過積分器積分，即可輸出50Hz，220V的正弦信號。IGBT的偏置電壓有兩種方式提供:在市電正常的情況下，直接進(jìn)行整流濾波電路來提供直流偏置;當(dāng)市電出現(xiàn)異常，則由電池組來提供直流電。

1.2 TMS320F2808的控制過程

TMS320F2808是美國德州儀器公司(TI)推出的32位的DSP芯片，速度可達(dá)100MIPS，可以很好得實(shí)現(xiàn)控制算法和信號處理的要求，片上集成了FLASH，RAM以及片上外設(shè)，具有3個32位的CPU計(jì)數(shù)器，能夠輸出12路的增強(qiáng)型PWM波形，擁有16路12位最高轉(zhuǎn)換速率達(dá)160ns的AD轉(zhuǎn)換通道，還具有增強(qiáng)型的捕獲單元，支持IQ變換函數(shù)，可以用定點(diǎn)的DSP來實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)運(yùn)算[1]。這些特點(diǎn)都將在系統(tǒng)中體現(xiàn)出2808的優(yōu)越性，也將其特點(diǎn)充分地發(fā)揮。

1.2.1 SPWM波形的產(chǎn)生

2808能夠提供12路的增強(qiáng)型PWM輸出，通用輸入輸出口可以選擇復(fù)用功能，對于三相輸出的UPS，12路的SPWM輸出剛好可以滿足IGBT的輸入要求。

并且在2808處理器內(nèi)部地址中固化了512個標(biāo)準(zhǔn)正弦值表(sine_table)，并且采用32位Q30格式，由于Iqmath庫函數(shù)的存在，可以方便的在定點(diǎn)的2808中實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)處理[2]。SPWM波形的輸出是根據(jù)ePWM模塊的周期寄存器(TBPRD)和比較寄存器(CMPA)的值進(jìn)行比較，當(dāng)相等時，輸出電平就發(fā)生跳變，因此，不斷用正弦表的值來刷新CMPR的內(nèi)容，就可以實(shí)現(xiàn)SPWM波形的輸出，其計(jì)算方法為:

(1)

其計(jì)算是做浮點(diǎn)運(yùn)算，要先轉(zhuǎn)化成浮點(diǎn)數(shù)，再轉(zhuǎn)回定點(diǎn)數(shù)來進(jìn)行處理，在代碼中可以借助Iqmath函數(shù)庫來完成轉(zhuǎn)換過程。根據(jù)上式，可以乘上一個縮放因子，來實(shí)現(xiàn)占空比按同樣的比例進(jìn)行縮放，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輸出電壓積分后正弦波幅值的改變。

1.2.2 反饋信號的處理方法

16路的AD采樣來監(jiān)測輸出參數(shù)的變化，根據(jù)變化進(jìn)而做出相應(yīng)的控制動作，其監(jiān)測內(nèi)容包括三相輸出的電壓值，電流值，三相逆變輸出電壓頻率。輸出值的大小會隨著負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的變化而發(fā)生起伏，可以通過2808編程實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)算法來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。

2808的AD采樣只能采樣0～3V的電壓信號，采樣結(jié)果存放在結(jié)果寄存器(ADCRESULT)中，對于220V的輸出，可以進(jìn)行100∶1降壓，對正半周期信號進(jìn)行采樣，可以通過ADCRESULT中的值計(jì)算出當(dāng)前輸出值的大小[2]:

(2)

在每個正弦周期的峰值處進(jìn)行采樣，與2.2V對應(yīng)的數(shù)字值進(jìn)行比對，跟據(jù)比較的結(jié)果，可以在比較寄存器(CMPR)數(shù)值更新的時候改變其大小，改變SPWM信號占空比即可改變輸出的大小，如(3)式所示[2]:

(3)

在調(diào)整時可以乘上一個偏移量offset，當(dāng)輸出值變小時，offset值為一個大于1的值;當(dāng)輸出值增大時，offset為一個0-1的值。offset的大小是通過逐次逼近的方法來進(jìn)行確定，測量值和2.2V的差每0.1V為一個步階，上下各分為五個步階，也就是測量值的變化范圍是1.7V到2.7V，超出這個范圍為嚴(yán)重異常事件，強(qiáng)制斷電。每個步階下都再分為五個變化量值(如offset1a到offset1e)，offset的值是在調(diào)試過程中得到，最終制定成表格，程序在會根據(jù)輸出變化到表格的設(shè)定范圍來逐個來讀取五個offset值，直到得到最佳效果。如此進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以大大節(jié)省自適應(yīng)控制的時間，可以做出快速準(zhǔn)確的調(diào)整。

1.2.3 電池充電脈寬控制

電池組在電網(wǎng)出現(xiàn)異常的時候會來保證系統(tǒng)的正常工作，當(dāng)電池組的電量消耗之后，電網(wǎng)恢復(fù)正常后就要對電池組進(jìn)行充電。為了增加電池的使用壽命和保證其活性，再根據(jù)AD采樣的值來控制可控硅的導(dǎo)通角，導(dǎo)通角不同，充電的斜率不同[3]。充電脈沖是50Hz正弦波進(jìn)行全波整流成100Hz，當(dāng)電池電量較低時，導(dǎo)通角增加，隨著電量的增加，導(dǎo)通角會減少，當(dāng)達(dá)到規(guī)定閾值后禁止可控硅的導(dǎo)通。將通用輸入輸出口按照需要輸出高低電平，就可得到控制可控硅開關(guān)的信號。

電池充電的脈寬，決定了產(chǎn)生的諧波分量，諧波會反射回供電網(wǎng)絡(luò)。因此，通過傅里葉展開，通過頻域分析，減小奇次諧波分量的權(quán)值，從而可以來求得滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的諧波參數(shù)。

2 系統(tǒng)結(jié)果分析

利用本文介紹的控制方法，將設(shè)計(jì)制作好的系統(tǒng)在UPS樣機(jī)上進(jìn)行調(diào)試，分別在空載，滿負(fù)載(100%負(fù)載)和輕負(fù)載(25%負(fù)載)三種情況下測得波形如下（如圖1、2、3）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本文的采用的信號處理和控制方法，可以保證UPS的性能穩(wěn)定，在負(fù)載網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化，輸出特性也能保證在比較穩(wěn)定的狀態(tài)。從而其可以應(yīng)對在各種場合下的應(yīng)用，且對諧波量的控制，也能做到大大減小對電網(wǎng)的影響，切實(shí)地發(fā)揮了應(yīng)有的特性。

參考文獻(xiàn)

[1]任潤柏，周荔丹，姚鋼.TMS320F28x源碼解讀[M].北京:電子工業(yè)出版社，2010

[2]蘇奎峰，蔡昭權(quán)，呂強(qiáng)，張永謙.TMS320X281xDSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[3]呂汀，石紅梅.變頻技術(shù)原理與應(yīng)用[M].北京;機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

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