在線式UPS電源的數字化控制技術

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在線式UPS電源的數字化控制技術

侯玉芬

（國家新聞出版廣電總局無線電臺管理局五六四臺,102434）

摘要：在UPS電源得到廣泛應用的情況下，有關在線式UPS電源的研究也逐漸得到了深入。就目前來看，想要較好的進行UPS電源性能的發揮，就要對UPS的逆變器的輸出波形進行控制。而在這方面，模擬數字化控制技術得到了很好的應用。所以，針對這種情況，本文基于DSP對在線式UPS電源的數字化控制技術進行了研究，并具體對在線式UPS電源的數字化控制系統進行了設計。而從本文的研究來看，基于DSP的在線式UPS電源數字控制系統取得了一定的控制效果。

關鍵詞：在線式UPS電源；數字化控制技術；DSP

0　引言

在網絡技術和信息技術不斷發展的情況下，一旦出現了供電中斷事故，就會造成嚴重的損失。所以，在這種情況下，人們對于UPS電源的需求會逐漸擴大。而想要保證在線式UPS電源進行高質量的電壓波形的輸出，就要做好電源核心部分的逆變器的控制。就目前來看，數字化控制技術可以很好的進行在線式UPS電源效果的控制。因此，相關單位和人員有必要對在線式UPS電源的數字化控制技術進行研究，從而更好的進行數字化控制技術的應用。

1　在線式UPS電源概述

從在線式UPS電源的系統結構角度來看，系統需要利用濾波器進行市電電源的傳輸，從而進行電網電磁干擾和射頻干擾的衰減和抑制。而在此基礎之上，則要分四路進行后續電路的運行控制。首先，來自市電電源的電流要經過交流旁路的供電通道，從而到達轉換繼電器的常閉觸點的位置上。其次，電流需要通過充電器，從而對系統的電池組進行充電操作。而在這種情況下，系統的外來供電即使中斷，也可以有足夠的電量來進行電源正常工作的維持。再者，電流需達到整流濾波器的輸入端，而該整流濾波器則具有校正輸入功率因素的控制特性。最后，系統會將市電同步跟蹤信號送至UPS鎖相同步電路中。而為了保證UPS電源的運行能夠更加安全和穩定，則要保證逆變器的電源與市電電源保持相同的頻率、相同的相位和相同的電壓幅度。就目前來看，在線式UPS一般采用的都是橋式逆變電路，既屬于電壓型逆變電源。而典型的單相UPS的PWM逆變電路則主要由單向便橋式逆變器、L-C濾波器和負載組成。按照輸出電壓的極性來劃分，則可以將系統電壓極性分為單極性SPWM和雙極性SPWM。

2　在線式UPS電源的數字化控制技術研究

2.1在線式UPS電源的數字化控制問題

在進行在線式UPS電源的數字化控制時，可以利用DSP進行逆變器的數字控制，從而進行數字PWM的發生問題的解決。一般的情況下，模擬PWM是通過進行三角波和控制信號的比較而產生的，而數字PWM則是通過定時器和數字比較器來實現的。在數字PWM產生的過程中，定時器需要用來產生鋸齒波和三角波，而輸出信號的高低電平則由數字比較器來決定。從根本上來講，兩種PWM的產生原理基本一致，而數字PWM則有其獨有的特點。

在進行在線式UPS電源的數字化控制問題的研究時，可以采用DSP芯片進行對稱和非對稱的數字PWM發生模塊的集成，而本系統采用的為對稱PWM。從原理上來看，在定時器從0遞增到周期值為T1PR的計數時，高有效的PWM的輸出口的計數值將上升至CMPRX這一比較值，從而進行高電平的輸出。而在定時器從周期值為T1PR的計數遞減到0時，高有效的PWM的輸出口的計數值將降低至CMPRX這一比較值，從而進行低電平的輸出。而為了避免逆變橋的同一組橋臂出現上下管共通的問題，則要進行兩路互補PWM信號的死區的設置。而該死區的設置既可以由模擬電路實現，也可以通過DSP內部的死區發生模塊來進行設定。此外，在進行計數頻率為f0=40MHz的逆變器的使用時，可以利用DSP 的TM320LF2406芯片進行逆變器的開關頻率控制。而在采用對稱PWM的方式的情況下，系統的分辨率則為1/1250。而在這種情況下，PWM分辨率可以滿足UPS逆變器的控制精度要求。

2.2數字化控制系統的設計

在進行在線式UPS電源的數字化控制系統的設計時，本文采用了TM320LF2406為核心控制芯片。而該種DSP芯片需要控制的在線式電源則為50Hz、100V的UPS電源。而之所以進行該種芯片的使用，是因為該芯片具有高速進行信號處理和數字控制的特點，可以進行復雜的控制算法的實現。所以，利用該芯片，可以通過軟件進行逆變重復控制算法的實現。

2.2.1系統結構設計

在進行系統結構設計時，可以利用DSP的TM320LF2406芯片進行在線式UPS電源的四個功率變換環節的實現。具體來說，可以實現的變換環節包含了輸入PFC環節、輸出逆變環節、電池充電環節和電池升壓環節。而從結構整體上來看，這些環節彼此之間的關系是獨立的，所以可以獨立進行這些環節的控制。此外，由于DSP進行一條指令的實現僅需要50ns，所以可以利用DSP進行電流環和電壓環的實時處理。就實際情況而言，在線式UPS電源的四個功率變換環節需要6路信號的反饋。具體來說，這6路反饋則包含了輸入電壓、直流BUS正負電壓、輸出電壓、輸出電流和電池電源。而在進行這些電路信號采集時，則需要利用DSP芯片內部的A/D轉換模塊進行信號的采樣。而DSP內部的A/D轉換模塊則有兩個，而兩個模塊則可以實現并行的轉換。其中，ADC0 到ADC7是第一模塊，而ADC8到ADC15是第二模塊。在進行信號采集的過程中，輸入電壓信號采集由ADC1完成，正負BUS電容電壓信號的采集由ADC0和ADC3完成。而輸出電壓、電流信號的采集由ADC14和ADC7來完成，電池電壓信號的采集則由ADC4來完成。

2.2.2系統軟件設計

在進行系統軟件的設計時，想要進行電壓和穩壓值的輸出，則需要對DSP中的EVB模塊中的CMPR1中的正弦波幅值來進行修正。而這樣一來，就可以進行開關管IGBT的占空比的控制，從而進行輸出電壓的控制。而想要對正弦波幅值進行修正，則可以利用嵌入式重復控制算法和積分、比例控制算法以及復合控制算法來完成。而這些控制算法的應用，不僅可以進行系統重復控制靜差問題的解決，還可以改進系統響應緩慢的問題，從而使在線式UPS電源滿足電源不間斷的要求。具體來講，改進后的重復控制軟件流程中，CFramHEAD和CFramTAIL分別為重復控制器的累加存儲單元的頭地址和尾地址的指針。而AR3則為取數據地址指針，AR4則為存數據地址指針。此外，系統軟件設計中還包含了數據暫存單元。

2.3系統實驗分析

為了更好的進行在線式UPS電源的數字化控制系統的研究，從而進行數字化控制技術的應用，還要對系統實驗進行分析。在對系統輸入110V、50Hz的市電電壓的情況下，BUS電壓為170V。而在這這種情況下，系統的輸出濾波電容為4.7uF,輸出濾波電感則為2mH，負載則為0到700W之間的白熾燈。在系統的閉環控制器中，前饋的控制系數為1，而重復增益系數則為0.25，比例控制系數也為1.同時，系統的死區時間為2us，采樣頻率則為8kHz。從實驗的結果來看，在系統加載量瞬間增大的情況下，系統恢復至穩定狀態需要花費較長的時間。而在這一過程中，系統的穩態誤差也比較大。所以，為了進行系統響應的快速性的調節，要在系統中進行比例調節器的設置。而在系統加載量瞬間減小的情況下，系統則可以較快的恢復到穩定狀態，但是也同樣存在著一定的穩態誤差。

從實驗結果可以看出，還需要在系統中進行積分調節器的加入，從而進行系統穩態誤差問題的解決。但是值得注意的是，系統的仿真實驗采用的是恒定的BUS電壓，所以系統可以通過改變PFC功率因素進行直流BUS電壓穩壓的校正。而在實際進行系統應用的過程中，系統的直流母線電壓不可能達到最理想的狀態。而一旦出現重載的突然施加或減少的情況，就會導致系統母線電壓的下垂，進而造成逆變電源輸出電壓的變化。因此，想要較好進行數字化控制技術的應用，從而進行在線式UPS電源的控制，還要結合實際情況進行系統的進一步改進。

3　結論

總之，在信息技術的不斷發展下，逆變電源取得了進一步的發展，從而為用戶提供更加可靠的服務。而在非線性負載不斷增加的情況下，只有做好在線式UPS電源性能和結構的控制，才能滿足用戶更高的要求。所以，本文結合實際情況，利用數字化控制技術對在線式UPS的系統設計問題進行了研究。而從本文的研究來看，基于DSP進行在線式UPS電源的數字化控制系統的設計，可以使電源的性能更高的同時，花費較低的控制成本，并進行穩定的正弦電壓的輸出。

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Line UPS Power Supply Digital Control Technology

Hou Yufen

(The State Press and publication Radio Administration Bureau of SARFT,102434)

Abstract：In the case of UPS has been widely applied,research on-line UPS power supply has been gradually deepened.For now,we want a good performance and realization UPS power supply,it is necessary for the UPS output waveform of the inverter control.In this regard,analog and digital control technology has been very good application.So,for this situation,the paper-based on-line UPS power DSP digital control technology research,and specifically for on-line UPS power supply digital control system is designed.From this study,the on-line UPS power supply DSP digital control system has achieved some control.

Keywords：on-line UPS power supply;digital control technology;DSP