专业组 先进控制类 西安理工大学 中小功率投切无冲击UPS

2011-2012德州仪器C2000及MCU创新设计大赛项目报告题 目： 中小功率投切无冲击UPS 学 校： 西 安 理 工 大 学 指导教师： 曾 光 教 授 组 别： 专 业 组 应用类别： 先 进 控 制 类 平 台： TMS320F28027 参赛队成员名单（含每人的邮箱地址，用于建立人才库）：谭 博 硕士研究生 405471754要 来 志 硕士研究生 yaolaizhi田 阳 阳 硕士研究生 tianyang_yang视频文件观看地址（若未拍摄，请注明） 本次设计未拍摄视频文件。邮寄地址和收件人联系方式（快递发送，请不要使用邮政信箱地址）地 址：陕西省 西安市 碑林区 金花南路5号 西安理工大学 联 系 人：田 阳 阳联系电话：15991940714题 目： 中小功率投切无冲击UPS 摘要（中英文） 概述项目内容，简单介绍所实现的系统(100-150字左右) 本设计用于市电突然中断时，负载在一段时间内的正常运行。整体设计采用“交直交”形式，直流电由市电整流或者蓄电池升压得到，再经过升压和逆变送出。投切过程利用两种直流供电方式上的电压差，用二极管实现，投切过程不会产生任何的相位差和瞬时断电现象，且不需要软件和检测电路参与，可靠性高，并且，交流侧电压波动小，无冲击。The design for the normal operation of load in a period of time when the electricity suddenly interrupted. The whole design used AC-DC-AC form. The direct current can be obtained by the electricity after the rectifier or the battery voltage after boosting and then sent out after boosting and inverter. The cutting process can be realized by diode using voltage differences between the two DC power supply modes. The cutting process will not produce any phenomenon of phase differences and the instantaneous power outages and will not need the involvement of software and detection circuit. The cutting process has highly reliability, lower fluctuation of the AC voltage and surge-free.1. 引言简述系统设计的背景、目的、和所要解决的问题。1.1 研究背景随着微电子与信息技术的发展，个人计算机、多媒体、互联网、通信系统以及工业自动化等各种应用正快速地渗入社会的各个层面。为了确保信息的安全与计算机系统、自动化流水线以及通信系统的正常运行，对电源品质的要求也越来越苛刻。并且一些重要的用电部门，如银行、航空、军事这些行业对供电的安全和质量的要求也越来越高，在这些部门，电源供应的短暂中断都可能造成设备或人员的重大损失，给国民经济和人民的生产生活造成不堪设想的严重后果。而在某种程度上全世界又均面临着电力供需不足或不稳定的威胁，公共电网已经无法满足这些行业对高品质电源的需求。1.2 研究UPS的目的未经保护的电源系统可能造成三大危害：第一，对硬件方面造成损害；第二，引起数据丢失；第三，引起非正常的业务中断。这三大危害是进行电源保护的基本原因，UPS恰恰能解决电源系统的上述危害。归纳起来，UPS具有如下特点：1.在市电中断的情况下，能利用自身所带的蓄电池通过逆变电路将直流电转换为交流电给计算机及网络系统供电，保证计算机及网络系统能正常运转。2.对市电有稳压作用，能在电网电压波动时稳定电压。3.能抑制电网的电力谐波干扰、电压瞬间跌落、高压浪涌、电压波形畸变、电磁干扰等电力污染，为计算机及其他设备提供电压稳定、波形纯正的电力供给，保证计算机及网络系统的正常工作和数据不受干扰。1.3 本文的主要研究内容本文重点研究UPS主电路中蓄电池投切时的实现方法和蓄电池升压电路的实现。主要研究内容如下：1）介绍了UPS系统，给出了系统框图，分析了各个部分的功能，并对其中重要的环节蓄电池的投切和升压电路做详细分析。2）仿真研究。利用PSIM仿真软件搭建起系统的仿真模型，并对蓄电池的投切和蓄电池升压电路给出仿真结果。通过结果说明该方法正确性。3）硬件实验。以TMS320F28027 DSP为控制芯片，搭建硬件实验平台，给出了实验结果和结论。2. 系统方案 详细说明系统设计的整体思路，用模块的形式指出系统设计的各个关键点，并指出其中使用的关键算法当市电正常时，蓄电池不给逆变器提供能量，通过硬件关断此通道；通过一级Boost升压电路，逆变器输出正弦波经滤波器滤波后供给负载。当市电出现故障时或市电的电能质量在UPS要求的范围之外时，整流桥停止工作，蓄电池输出电压经过两级Boost升压电路将电压抬升至略低于单级Boost输出电压，经逆变器开始给负载提供能量。当输出短路或蓄电池的电压低于允许值时，UPS停止工作，以防止损坏逆变器或者蓄电池。当输出过载时，如果过载是瞬时的，则可以通过控制允许这种情况出现，如果过载时间比较长，则就需要通过转换开关由UPS转到市电给负载供电。其结构框图如图1所示。图1 UPS不间断电源结构框图根据大赛要求，整个UPS电源系统大致分为以下四部分：AC/DC部分：输入单相市电电源，采用单相全桥不可控整流，经电解电容得到比较平稳的直流电；DC/DC部分：含有两路DC/DC，第一路采用Boost电路，将整流得到的直流电压提升到较高的直流电，从而使得逆变输出得到220V/50Hz单相交流电；第二路采用两个Boost电路级联，将蓄电池输出电压提升到较高直流电，从而使得逆变输出得到220V/50Hz 单相交流电；DC/AC部分：采用SPWM逆变，直接将直流电逆变成交流电，经滤波装置滤除逆变后的高频分量以后，实现给负载供电；控制器部分：完成各部分开关管的控制，PWM输出的功能。3. 系统硬件设计详细介绍系统各个模块的硬件实现过程，说明采用关键器件的理由及关键部分的原理图 （不得大量复制原理图，更多用框图的方式示意，仅对能体现工作量和创新的部分提供原理图，评委有权对滥用原理图的论文扣分）3.1 整机框架电源输入为220V单相交流电；整流部分选择结构简单、功率因数高的二极管桥式整流；逆变部分基于系统容量，开关频率高低，驱动电路难易等因素的综合考虑，选择MOSFET作为逆变桥开关器件。整流输出的电压仅280V，经逆变后不能达到220V交流电，所以经单级Boost电路抬升至300V。蓄电池输出电压只有12V，所以采用两级Boost串联电路将电压抬升至270V，经逆变输出为220V交流电。主电路拓扑如图2所示。图中，C1、C2、C3为大电容，起到滤波和稳压的作用。图2 主电路拓扑系统采用单相全桥不可控整流和单桥全桥逆变，DC/DC实现升压，这样可降低控制的复杂程度。AC/DC采用不可控整流，将单相市电整流为直流电。DC/DC采用两路Boost电路完成升压，分别将整流输出电压和蓄电池输出电压提升到较高直流电，使得后级逆变输出为220V/50Hz单相交流电。DC/AC部分采用单相逆变全桥，作用是将直流电转换成220V/50Hz正弦交流电，实现逆变向负载供电。3.2 参数设计1）整流输出Boost电路参数设计图3为整流输出Boost变换器的电路结构。图3 整流输出Boost变换器的电路结构整流输出Boost变换器的输入为市电的单相不可控整流输出，取值V1=280V，输出电压VO=300V，则依据公式 （1）计算出D=0.075，则由公式 （2） （3）可知C1=400F，L1=1.1mH。实际选取C1=470F，L1=6.2mH。2）蓄电池Boost电路参数设计图4为蓄电池Boost变换器的电路结构。图4 蓄电池Boost变换器的电路结构蓄电池Boost变换器的输入电压为两节蓄电池的串联输出电压，取值V2=36V，蓄电池Boost升压输出电压VO=270V。蓄电池Boost的电感电流为连续，故依据公式 （4）可以计算出第二级Boost的升压占空比D2=0.867。再依据公式（2）、（3）可得C2=120F，L2=0.8mH。实际选取C2=470F，L2=6.2mH。3）DC/DC电路中的开关管吸收参数DC/DC电路中的开关管均采用RCD滤波，取C=0.1F、R=1.5K（1/2W），D取反向耐压600V的快恢复二极管。4）整流电路参数整流电路采用单相全桥二极管不可控整流，二极管采用反向耐压600V的碳化硅快恢复二极管。整流电容选择选择400V/2200uF电解电容。5）逆变参数设计： 开关管吸收参数：取C=0.1F、R=6K（6W），二极管D取反向耐压600V的快恢复二极管。输出滤波电感取Lf =66mH，输出滤波电容取1.5uF/63V。3.3 器件选择 1）AC/DC整流二极管选用快恢复二极管，最大耐压220*1.2*2=528V，选择IN5408。 2）DC/DC直流变换 开关器件选择MOSFET，耐压220*1.2*2=528V，选择K1119。二极管选选用快恢复二极管，选择IDH10SG60C。 3）SPWM逆变电路开关器件选择MOSFET，耐压220*1.2*2=528V，过流5.2A（由于最大功率25W，考虑最小电网电压220V*0.9=198V，因此最大电流约2.6A，考虑2倍过流水平，则2.6*2=5.2A），选择K1119。 3）MOSFET驱动DC/DC直流变换电路MOSFET的驱动采用三极管驱动，三极管选择C9013，SPWM逆变电路MOSFET的驱动芯片选择IR2110。4. 系统软件设计详细介绍算法设计与算法流程图（不得大量复制源代码）4.1 控制器总体设计方案根据竞赛要求及结合主电路拓扑特点，整个UPS电源系统的控制设计方案如图5所示：图5 控制器总体设计方案框图DC/DC电路起升压作用，一部分将整流输出电压升高到300V，另一部分将蓄电池输出电压升高到270V，使得逆变输出能够达到220V/50Hz，即：调节DC/DC部分开关管的占空比来改变DC/DC电路的输出电压，使之与要求的输出电压相比较，其误差经过PI调节后用于产生PWM驱动波形。DC/AC逆变部分采用SPWM控制方式，将直流电逆变为220V/50Hz交流电。通过检测逆变输出电压，经过PI调节后用于产生PWM驱动波形，从而通过改变各开关管的开通时间来改变逆变输出，使之满足逆变输出。4.2 系统原理图设计1）系统主电路 根据系统的设计思想，可以得到该UPS电源系统的主电路如图6所示。图6 UPS电源系统的主电路2）逆变电路IGBT驱动电路采用两片IR2110芯片，驱动电路如图7所示：图7 逆变电路MOSFET驱动电路为PWM脉冲封锁信号，14、23分别为一个桥臂的上下两个IGBT的驱动信号。DSP输出PWM经过7407 OC门将电平转换到0-15V，从而满足IR2110的输入要求。 3）DC/DC变换电路IGBT驱动电路采用三极管驱动，三极管选择C9013，驱动电路如图8所示：图8 DC/DC变换电路MOSFET驱动电路Single-G5、q507、G5和Single-G6、q607、G6分别为两路DC/DC变换电路MOSFET开关器件的驱动信号。DSP输出PWM经过7407 OC门将电平转换到0-15V，从而满足三极管C9013的输入要求。4.3 控制算法PID控制算法编程简单，易于实现，工程应用较多，技术成熟，一般都能取得较好的控制效果。本方案选择应用成熟的PID控制作为输出控制环节的算法。1）DC/DC变换电路根据主电路的设计方案，DC/DC有两部分Boost变换，一部分为蓄电池单级Boost变换，另一部分为输出升压单级Boost变换。对蓄电池单级Boost的开关管和输出升压Boost变换的开关管采用电压单闭环控制和经典的PI控制算法。图9 DC/DC控制框图2）逆变部分根据直流环节的不同，可分为电压源型逆变和电流源型逆变。电压源型逆变器属于恒压源，电压控制响应慢，不易波动。电流型逆变器属于恒流源，电压控制响应慢且易波动。因UPS不间断是一种含有储能装置，以逆变器为主要元件，稳压稳频输出的电源保护设备，所以逆变器部分采用电压源型全桥逆变电路，控制采用经典的单极性SPWM技术，使得输出电压为220V/50Hz的交流电，采用电压单闭环控制和经典的PI控制算法。图10 DC/AC控制框图4.4 程序流程系统主程序主要完成DSP资源的初始化和等待中断。中断子程序是整个软件的核心部分，主要完成系统核心算法，如PID算法等。为了系统的安全稳定运行，系统的主要流程图如下所示： 图11 主程序流程图 图12 A/D中断子程序流程图 图13 中断子程序流程图4.5 控制资源要求DC/DC直流变换部分：1） Boost升压输出电压检测。（二路AD）2）DC/DC电路开关管的通断控制。（二路PWM）DC/AC逆变部分：1）全桥电路开关管的通断控制。（二路SPWM）2）逆变输出电压检测。（一路AD）所需资源汇总：资源ADPWM数量344.6 系统资源分配本次设计中UPS数字系统的资源配置表，如表1所示。表1 UPS数字系统资源配置表TMS320F28027 DSP资源配置用途说明数模转换（ADC）ADCINA4(P5)Boost输出电压采样ADCINA2(P9)Boost输出电压采样ADCINA3(P7)逆变输出电压采样定时器Time-Base ModulePWM周期定时（10K），产生PWM周期匹配中断，用于产生逆变桥、两路Boost的前级驱动信号以及启动闭环控制子程序。PWM输出GPIO0/EPWM1A(P29)逆变桥驱动信号1GPIO1/EPWM1B(P28)逆变桥驱动信号2GPIO2/EPWM2A(P37)Boost驱动信号GPIO4/EPWM3A(P39)Boost驱动信号5. 系统创新总结系统设计的创新之处本次设计的UPS采用的方案不用检测交流输出电压相位便可以实现对负载的无相位差、不间断供电。方案中采用的两路Boost升压电路可以避免使用变压器，减少了装置体积。6. 评测与结论系统测试方法和达到的指标6.1 市电对负载供电时的实验波形将市电经过整流滤波后，通过Boost电路，将整流输出电压抬升至更高的电压，经过逆变器进行逆变，得到220V/50Hz的交流电。图14给出了市电投入时，市电整流后经Boost升压后的输出电压波形和整流输出电压波形。图14 整流输出电压和Boost输出电压图15 给出了市电投入时，市电经过整流和Boost升压后，通过逆变器得到的交流电波形。由于示波器电压探头等级的原因，只能看到一半的波形。图15 市电供电时的逆变输出电压6.2 蓄电池对负载供电时的实验波形蓄电池输出通过两级Boost电路，将整流输出电压抬升至更高的电压，经过逆变器进行逆变，得到220V/50Hz的交流电。图16给出了蓄电池供电时，两级Boost电路中，第一级Boost的输出电压波形和第二级Boost的输出电压波形。图16 两级Boost输出电压波形图17给出了蓄电池时，蓄电池输出电压经两级Boost升压后，通过逆变器得到的交流电波形。图17 蓄电池供电时的逆变输出电压6.3 投切过程的实验波形 市电和蓄电池同时给负载供电，市电突然断电，此时蓄电池供电，单级Boost升压后的输出电压和两级Boost升压后的输出电压的变化趋势如图18所示。图18 市电突然断电时单级Boost的输出电压和两级Boost的输出电压 蓄电池单独给负载供电，市电突然投入，此时单级Boost升压后的输出电压和两级Boost升压后的输出电压的变化趋势如图19 所示。图19 市电突然投入时单级Boost的输出电压和两级Boost的输出电压附录能体现工作成果的实物照片等