基于TMS320LF2407的EPS電源系統的設計*

黃 丹，宋 巍，蔣曉明，劉曉光，王 攀

（1.廣東省自動化研究所，廣東廣州 510070；2.空軍駐廣州地區軍事代表室，廣東廣州 510410）

0 引言

隨著社會的發展，各種信息化的用電設備對電力的依賴程度越來越大，并且對電源質量的要求也越來越高。供電系統的故障，瞬間的停電不僅會給人們的正常生活帶來極大不便，甚至還會給國家造成巨大的經濟損失。2003年8月14日下午美國東北部、中西部和加拿大南部發生大面積停電，持續了29個小時的大面積停電給5000萬美國人和加拿大人的生活帶來極大不便，并造成300億美元以上的直接和間接經濟損失[1]。EPS（Emergency Power Supply），人們稱之為應急電源，作為獨立于電網之外的后備電源是最有效解決停電等電力故障的有效途徑之一，在事故或者緊急狀況發生時，能夠確保提供所需的應急電力，為人們的生活和生產的安全提供可靠保障。

本文設計了一種基于TMS320LF2407的EPS電源系統，其總體設計方案及構成如圖1所示。EPS電源主要由市電檢測模塊、蓄電池組及其監測模塊、充電器、逆變器、DSP控制器、切換開關、信號采樣及調理模塊等組成。

圖1 EPS電源系統框圖

1 EPS電源的總體設計及工作原理

當市電電網供電正常時，DSP控制系統通過I/O控制接口控制切換開關2和切換開關3斷開，控制切換開關1接通，直接為用電負載提供電源，同時通過電池充電器向蓄電池組充電，逆變器處于停機狀態；當市電檢測模塊檢測到無市電輸入或市電出現異常等故障時，DSP控制系統的I/O控制接口控制切換開關1斷開，切換開關2和切換開關3導通為用電負載提供電源；此時充電器停止工作，蓄電池組為逆變器供電通過逆變器為用電負載提供所需的負載電壓，從而保證了用電負載的電力供應不中斷；當市電恢復正常時，控制電路控制切換為市電導通，逆變器輸出斷開并停止工作。

圖2 交流輸出霍爾采樣電路

2 EPS電源控制系統的設計

本文設計的EPS電源的控制系統由硬件和軟件兩部分組成，主要完成對切換開關的切換控制，對蓄電池組的充放電的檢測和控制，對充電器的PWM控制，對逆變器的溫度、電流、電壓信號采樣及調理、SPWM控制、以及對人機界面輸入及顯示的控制，本文主要介紹針對逆變環節的控制系統的設計。

2.1 控制系統的硬件設計

本文設計的EPS電源逆變器的控制系統硬件設計是以TMS320LF2407為核心控制器，主要由信號采樣及調理電路、I/O控制電路、IGBT驅動電路、通信接口電路等組成。

（1）采樣及信號調理電路和市電檢測電路本文分別對市電輸入的電壓以及逆變器的交流輸出電壓、輸出電流進行檢測。市電電壓和逆變輸出電壓的是用霍爾電壓傳感器進行檢測，逆變輸出電流采用霍爾電流傳感器檢測，檢測到的信號再經過運算放大器的調理、濾波電路、限幅等環節，分別把電壓和電流的采樣值調理0～3.3 V的電壓信號輸入給DSP的AD接口。DSP根據所檢測到的市電電壓值來控制3個切換開關的狀態，檢測到的逆變器交流輸出電壓值參與PID運算來控制逆變器模塊的SPWM的信號，通過檢測交流電流值以控制逆變器工作過載時做出保護措施。如圖2是本文設計的逆變環節的電壓的采樣及調理電路，電流采樣及調理與其相類似。

（2）I/O控制接口電路DSP的通用I/O口主要經過光電耦合器的隔離和轉換，實現EPS電源開機、充電、逆變、停止、備用等信號的輸入和輸出。

（3）IGBT驅動電路IGBT驅動采用專用模塊M57926AL及其外圍電路設計實現。M57962AL具有驅動能力好，功率大，保護性能好等特點，根據該模塊內部的電流保護功能對其應用電路進行安全可靠設計，能夠實現在短路、退飽和或過流時，實現隔離和保護功能。

圖3 應急電源主程序流程圖

（4）通信接口電路采用了RS232串口通信，主要用于蓄電池監控模塊信號的以及人機界面預設信號、故障信號、系統工作狀態信號等與DSP之間的傳輸。

2.2 控制系統的軟件設計

控制系統的DSP程序完成工作狀態轉換和輸出驅動信號，主要包括系統主程序和中斷子程序。

（1）主程序

主循環程序包括產生應急電源的啟動信號，判斷市電電壓是否正常。市電如果正常，應急電源處于蓄電池充電狀態，DSP系統轉入執行蓄電池充電子程序；市電如果出現故障（包括電壓異常或者市電掉電），DSP就進入應急狀態逆變工作子程序，包括逆變子程序和中斷子程序等。并且切換開關2和切換開關3閉合，啟動蓄電池輸出，為負載提供不間斷的電力供應。圖3為系統主程序流程圖。

圖4 PI控制程序算法流程圖

（2）PID控制及SPWM程序

逆變器的PID控制和DSP產生SPWM程序是本文設計的EPS電源的核心中斷子程序之一，也是實現EPS電源由蓄電池組直流供電通過逆變轉變為穩定的50 Hz交流電輸出的關鍵環節。它是將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制。在這種控制算法中，P能夠快速響應控制作用，而I則對偏差進行積累，能最終消除穩態誤差，但是如果在整個調節過程中，P和I總是同時起作用則會不可避免帶來超調和退飽和，將可能導致系統振蕩。因此，本文選擇使用了增量式的PI控制算法，并利用了遇限削弱的方法，即控制量一旦進入飽和區范圍，則停止增大積分項的運算而之執行削弱積分項的運算[2-3]。PI算法程序流程如圖4所示。

TMS320LF2407可以產生16路PWM輸出。SPWM波的實現是由三角波和正弦波相比較而得到的，由IGBT的驅動頻率得到的周期寄存器T3PR的值，設置DSP計數器的計算方式為連續增/減計數方式，由此得到所需的三角波載波。并設置周期中斷有效，當周期中斷發生時，在中斷處理程序中用A/D采樣值與正弦參考值進行PI調節后的值，來更新比較寄存器CMPR3的值，通用定時器的計數器T3CNT將與比較寄存器的值進行比較，就得到了SPWM脈沖波。具體程序流程圖如圖5所示[4-5]。

3 實驗與結論

圖6示出了EPS電池供電是由逆變器輸出經濾波后測得的220 V，50 Hz正弦波，由所示波形，本文設計的EPS電源應急供電時能輸出與市電電壓和頻率基本相同的交流電壓，適應市電出現故障時，應急狀態下的電力供應，具有較大的實用價值。

圖5 SPWM周期中斷子程序流程圖

圖6 EPS應急供電波形

［1］周詳.人民網［EB／OL］.http：//www.people.com.cn/GB/paper68/9981/916184.html.2003-08-20.

［2］張宇河.計算機控制系統［M］.北京：北京理工大學出版社，1996.

［3］陶永華.新型PID控制及其應用［M］.北京：機械工業出版社，1998.

［4］劉和平.TMS320LF240x DSP結構、原理及應用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2002.

［5］劉鳳君.現代逆變技術及應用［M］.北京：電子工業出版社，2006.