基于DSP及FPGA的UPS設計

周春艷

（北方民族大學電氣信息工程學院，寧夏 銀川750021）

傳統的UPS多采用模擬控制或與數字控制相結合的控制系統，結構復雜、體積龐大，集成化程度低。隨著高速數字信號處理器（DSP）的出現，UPS電源性能大大提高。本文介紹的基于DSP及EDA技術相結合設計的UPS，進一步簡化了系統硬件設計，可靠性大大提高，維護方便，真正實現了智能化管理。

1 系統主電路

圖1為UPS主電路結構拓撲圖，采用雙變換在線式結構。當市電正常時，一方面給蓄電池充電，一方面通過整流器給逆變器提供直流電源，逆變器的輸出給負載進行供電；當市電掉電時，由電池通過逆變器向負載供電。旁路開關平時處在逆變輸出狀態，當逆變電路發生故障時，旁路接通，由電網直接向負載供電。

圖1 線性擴流框圖

2 總體設計

2.1 主控模塊

本設計采用T MS320LF2407 A作為主控芯片，它是TI公司專為UPS、電機控制等領域而設計的數字控制芯片，具有豐富的片內外設，如事件管理器模塊、A／D轉換模塊、SPI、SCI和CAN通訊控制接口等，滿足UPS設計中采樣、PWM輸出控制、通訊等要求。同時，利用FPGA可編程器件設計了鍵盤電路，液晶顯示電路及保護電路等，系統總體框圖如圖2。

圖2 系統總體框圖

如圖2所示，本文用到的2407 A的資源包括模數轉換模塊（ADC）對各路信號進行采樣，事件管理器模塊輸出的PWM信號控制逆變器，并利用其捕捉單元對市電及逆變輸出電壓過零點進行捕捉，利用軟件鎖相實現同步。數字輸入輸出模塊和FPGA進行接口連接。當系統出現故障時，FPGA采集故障信號，并產生故障保護中斷信號傳給DSP的PDPINT實現實時保護。

2.2 采樣環節電路設計

本設計需要對逆變輸出電壓、逆變輸出電流、市電電壓、市電電流、電池組電壓、電池組充放電電流進行采樣，2407 A本身帶有的模數轉換模塊具有16個轉換通道，轉換精度為10位，滿足采樣要求。電壓檢測電路如圖3所示，主要由分壓電路，濾波電路和取反電路，限幅電路四部分組成。

圖3 電壓采樣電路

同時，還需對市電和逆變輸出的電流進行采集，如圖4為電流采集電路。先將電流轉換成電壓，再進行放大，取反，取絕對值，然后通過限幅后進行A／D采集。

圖4 電流采樣電路

2.3 PWM信號驅動逆變開關

2407 A的事件管理器EVA可輸出16路PWM信號，可用于驅動功率器件IGBT。其中的捕捉單元可用于捕捉市電和逆變輸出電壓的邊沿信息，以實現軟件鎖相，由于PWM輸出信號驅動能力較弱，需經電氣隔離放大后再去驅動IGBT。驅動電路如圖5。

圖5 驅動電路

3 鍵盤及顯示電路的設計

采用可編程邏輯器件可使系統的集成度更高，提高可靠性，提高運行速度及靈活性。本設計的FPGA器件可采用ALTERA公司的EP1C6T144C6實現4×4鍵盤及LCD顯示器的接口，功能框圖如圖6。

圖6 外設控制框圖

4 結束語

相對于模擬設計，基于DSP的全數字UPS大大簡化了硬件電路的設計，增加了控制的靈活性。同時加上EDA技術，進一步簡化了系統設計，增加可靠性，使系統的性能大大提高。