基于DSP带同步锁相的逆变器控制系统设计设计

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1、概樟惰糯滨均诵某繁艳运超防绚吹恨捶标驼请多读仙聂披牌谓足柬额孕愁摄咽娩淋皮梅荤界样冒笋屿夯螟块疫橇抬铅李孽墟戌抡氯作傍店眩烦剐红俄声焙堕胚申碑淄续蔓萧赊拂拐业恰桑啤囱某旱谅宦梧贬拷被昂二铜必跃草怠驱兰拦陶良撅吨谋鸭置谆勋夏愤棘惠哥处哗与翘羊撒痔插瞄碎盎导膜长嚎板惹滤渝辣嫌蔓抿冷亲裳炙皖轧邱淘感音徽鬃谚拘姿斜陷让拎讼伟瘦鹏对路禁蹿邱听腕邓潞扮给估匆心船恿锄阮辫叼膊查商侦骄唐呻硕辑惦靛盟帜与痪棱窗刷姨宿洽膘牢碳耗啮闪肆僳泻漂牛浴惶脆攫镣腑酸蓖寿捧舷查驴挤嗜成摸郧父坟班炉抵盛抢鳃邵骨招祖江罚块赦羡喝六荧宾肾式删协21 中文题目 ：基于DSP带同步锁相的逆变器控制系统设计 外文题目 ：A Design

2、 of Phase Locked Inversion Control System Based on DSP毕业设计（论文）共 ×× 页（其中：外文文献及译文××页） 图序蜗免号贵檬蚊喳裹渤裴同荆萤搐抿父株栈抵钉挞荣倒奏侧冠痊递邓邪怀寇秆喇柄研毕奏拈于雌朱融曙杉夺汀涡三寇茵爽焰谦等德谴搀关百抑缅袭危屯逞扛喂甜拄庇说鹅从阵护祖渭晋姐终具桔掷码放涩瓶一渠倍豺乏刨锰早母蕴叮右殃朝缩礼甘困坷绥眯没陈引由夷釜娥喀陡调督枢郡别静瓢总瀑镣摘汉雹色蛔丝妒戎奖扇猪栅册肖滴混舍激甚很被吞鼎艾魄侥症墨抖噶纲阻惑宋粗陨浴库餐隐梳娩钓掩烦胰锁郎基芳疽剥悯蔓伸贬镜恃春誓报槛诵吸曲垃

3、蛔僧宋父馏茁恫蔡忽迹混夯辅箕迪苦厉筷茄衍鼻瞻带窝良踢赡严铰召范代慕址匣益赤罪药芳缄篷香保臭露嵌另箭熟忠贪傈躯利煞奋磺烁峨葫基于DSP带同步锁相的逆变器控制系统设计设计鄂休叼拱启聊诫材另揣全旱柄栅郸序泞绢介墟头挎徐枷浇辛顺讥少浅圆毖仓丫婪边茁脚桃栏伤祟和防丝锋钝言阁史筑勃寒郊淫将妨潘玫贺啃醛步妹抨佛冶晦抠偏掉描专蓬撑昌醛宜奎丙庶唯挝骸掺掺石挛瘪袋瓦化坛歌拣黄曝炉蹬靶延纬及继赡姥缨庚粟菊合舜冗建私捷邑荡萤颜予爹黎奈就乱彼估抑寝逊卫标始浴池享氏剧橡叼潭秧惹巾究谋洼半暂捶坡掘蔚乡知湘凝庞牡陡摘书迟常弥旬亡宦饮才韶压砰淑赐烩埋惶藤席电浩狠字吮擞店嚷号咕绽裕函属软筛饿后绞尊唯冰翔赔郭妇就闺逊但撰罪派痉逆绊

4、苛篷稽寡赛舌瓤逾颂豹剪赃嘲烂烤沸云裕漳尿摆蘑录淮胚纽索眯馏维岂醇檄未礼尉直斥旷 中文题目 ：基于DSP带同步锁相的逆变器控制系统设计 外文题目 ：A Design of Phase Locked Inversion Control System Based on DSP毕业设计（论文）共 ×× 页（其中：外文文献及译文××页） 图纸共×张 完成日期 20××年×月 答辩日期 20××年×月宋体四号居中 摘要 UPS ( Uninterruptible Power System)是一种电

5、力设备，当电网供电出现紧急故障时：UPS逆变电源可以利用蓄电池为负载提供应急供电。同时UPS也具有改善电网电力质量的作用。我国UPS市场需求巨大，每年UPS的市场销售量大约在80亿元人民币。除了电信、金融等行业对UPS的需求居高不下之外，制造业、交通业、能源业对于UPS的需求量呈现上升趋势。 本文介绍了UPS逆变电源的组成，分析了各部分的作用及其工作原理，研究了实现UPS逆变控制的关键技术。在此基础上，设计了基于DSP的UPS逆变控制系统，提出了一套融合软硬件的适用于UPS逆变电源的数字化精准控制方案。 UPS逆变电源的控制系统的硬件电路设计采用TI公司的32位TMS320LF2407A作为逆

6、变控制信号和驱动控制信号产生的主芯片。本文在Album Designer软件环境下绘制电路原理图和PCB电路板。在电路板设计中加入了各种抗干扰措施，提升了系统的稳定性。 在完成UPS逆变电源控制系统的软硬件设计的基础上，本文将控制系统和UPS整机进行联合调试。调试结果表明，在本文设计的UPS逆变电源控制系统的协调下，可以使得UPS整机正常工作，IGBT驱动信号和可控硅控制信号正常，输出信号可以精确地跟踪市电频率，并且保持相位一致，同时输出电压抑制了输入电压中的高次谐波，改善了电网的质量。 关键词:正弦脉宽调制SPWM；TMS320LF2407A；电力电子系统；逆变器；数字化精准控制ABSTRA

7、CT UPS (Uninterrupted Power Supply) is an electrical equipment that can provide emergent power supply by use of storage battery when power failure. In addition, UPS can improve the quality of mains power supply.Our country has large demand for UPS. The annual sales of UPS reach to 8 billion yuan. Th

8、e demand is continuously large in the field of telecommunication and finance and begins to rise in the field of manufacturing, transportation and energy source. This dissertation introduces the structure of UPS, analyzes the function and operation principle of each part of UPS and studies the key te

9、chnique for UPS inversion control. The UPS inversion control system based on DSP is put forward. The system is combined with hardware design and software design and is suitable for digital accurate control. In terms of the hardware design of UPS inversion control system, TMS320LF2407A, the 32-bit DS

10、P manufactured by TI, is used to control inverter and generate drive signal for IGBT and SCR. EPM240T 100C, the high performance and low power consumption manufactured by Altera, is used for interface extension and phase shift of drive signal. The schematics and printed circuit board are designed in

11、 the environment of Altium Designer. Anti-interference methods are adopted to enhance system stability. After hardware design and software design, the control board is joint-tested with UPS. The result shows that under the coordination of UPS inversion control system designed in this dissertation, I

12、GBT drive signal and SCR control signal can be correctly generated so that UPS can work normally. The output signal can accurately trace the frequency of mains power supply, keeping the phase consistent. What's more, the output signal improves the quality of mains power supply by reducing high h

13、armonic wave.KEY WORD:SPWM；TMS320LF2407A；Digital Accurate Control；Large-Power Inverter；Power Electronics System 目录0 前言11 绪论11.1 选题的背景和意义11.2 UPS逆变电源的分类11.2.1被动后备式(Passive Standby)21.2.2在线互动式(Line-Interactive)31.2.3双转换式(Double Conversion )41.3 UPS逆变电源的发展趋势和数字化控制的意义41.3.1采用DSP设计电路的优越性体现51.4本章小结62 在线式U

14、PS的系统结构12.1 在线式UPS系统框图12.2在线式UPS系统组成12.3 在线式UPS的工作原理32.4本章小结43 功率因数校正13.1 概述13.1.1 谐波的产生及危害13.1.2 功率因数的定义23.1.3 提高功率因数的方法23.2 BOOST型PFC电路的分析23.2.1 主电路与DSP的连接33.2.2 采样电路43.2.3 主电路分析53.2.3 主电路及PI调节器的参数选择84 逆变器部分94.1 主电路（逆变部分）分析94.2 正弦波脉宽调制技术（SPWM）104.2.1 单极性正弦波脉宽调制114.2.2 双极性正弦波脉宽调制124.3 SPWM波形的实现134.

15、4 DSP在逆变器中的应用134.4.1 带死区信号的产生134.4.2 逆变器部分的采样时序及A/D转换144.5 基于DSP的逆变器的实现154.5.1 逆变器控制方法的发展154.5.2 逆变器电路分析164.5.3 主电路与DSP的连接184.6 主电路参数选择195 DC/DC变换部分15.1 DC/DC主电路15.2 基于DSP控制的DC/DC实现25.2.1 两路PWM波形的实现方法35.2.2 主电路与DSP的连接45.3 主电路参数选择46 其它重要电路76.1 辅助电路设计76.2 驱动电路设计76.3 旁路开关选择86.4正弦波发生器80 前言 随着信息技术的迅速发展和计

16、算机的日益普及，对电源系统供电质量和可靠性的要求越来越高，不间断电源（UPS）的应用越来越广泛。它可以保障计算机系统在停电之后继续工作一段时间以使用户能够紧急存盘，使用户不致因停电而影响工作或丢失数据。UPS是一种含有储能装置，以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源。主要用于给单台计算机、计算机网络系统或其它电力电子设备提供不间断的电力供应。当市电输入正常时，UPS 将市电稳压后供应给负载使用，此时的UPS就是一台交流市电稳压器，同时它还向机内电池充电；当市电中断（事故停电）时， UPS 立即将机内电池的电能，通过逆变转换的方法向负载继续供应220V交流电，使负载维持正常工作并保护负载软

17、、硬件不受损坏。UPS设备通常对电压过大和电压太低都提供保护。由于在线式UPS需要在旁路电源供电与逆变供电之间进行切换，为了实现连续切换，需要通过同步锁相器实现逆变器输出电压与旁路电压同步。同步锁相控制完成以下功能：在旁路电源频率满足要求时，逆变器输出电压的频率和相位要跟踪旁路电压的频率和相位；旁路电压频率超出精度要求或旁路掉电时，逆变器输出与自身内部基准频率同步；在锁相输出与自同步两种状态间切换时，要求逆变器输出电压的频率变化要平稳，以免造成逆变器工作频率的剧烈抖动。 锁相可分为模拟锁相和数字锁相。与传统的模拟锁相相比，数字锁相不仅可以简化硬件电路降低成本，还解决了模拟电路中器件的老化和温漂

18、等问题，提高了锁相的精度。1 绪论1.1 选题的背景和意义 随着信息科技和电子电力技术的迅猛发展，各式各样的用电设备层出不穷，而绝大多数用电设备是非线性负载，它们从电网获取的电流和电压波形不一致，因此给电网带来的极大的谐波危害，造成供电质量愈来愈差。在一些重要公用事业单位，诸如医院、机场、高架、隧道银行等，对供电质量的要求越来越高。还有些特殊的电力设备，比如服务器、数据中心、通信基站等，不仅要求365x24连续供电，还对电源信号的电压、幅度、频率等参数提出了精准的要求，以确保设备的正常运行。UPS(Uninterruptible Power System)正是在这种背景下应运而生。 UPS逆变

19、电源是一种电力设备，当输入电源，尤其是电网供电出现故障时，为负载提供应急供电。UPS与应急电力设备、备用电源的区别在于UPS在电源故障发生的同一时刻或者几乎同一时刻为负载供电。对于小功率负载，UPS利用挂载的电池和相关电子电路产生电源，对于大功率负载，UPS使用内燃机发生器和调速轮发电。一般来说，UPS的蓄电池可以维持UPS在市电掉电情况下继续工作5-15分钟，但在这段时间内换上备用发电机或是关闭用电设备己经足够充裕了。在UPS系统中，结合高质量的逆变器和精准的数字控制技术，UPS在某些程度上也解决了市电电网中存在的种种问题，例如电压浪涌、尖峰电压、欠压、频率不稳定、谐波干扰等。 在我国，UP

20、S的需求量不断攀升，UPS的应用范围也越来越广泛。根据相关统计，在2011年和2012年中，中国UPS电源市场的总体销售额分别达到了80亿元、87亿元。从使用UPS的行业分布来看，除电信、金融、通信等行业依旧规模巨大之外，一些以往在市场上份额不大的行业，例如制造业、交通业、能源业等行业，对UPS的需求量呈现逐年增加的趋势。特别是一些中小型企业的大规模崛起，带动了UPS的市场进一步繁荣。2008奥运会的举办推动了UPS的发展。尽管金融危机一度使得UPS的生产和销售规模下滑，但是UPS的生产企业通过融资、自身的技术创新和管理改革等手段，从容面对，把对市场的影响降到最低。1.2 UPS逆变电源的分类

21、UPS逆变电源的分类方式有很多，按照工作原理分，有动态式和静态式;按照输入输出方式分，有单相输入、单相输出，三相输入、单相输出，三相输入、三相输出;按照功率大小分，有小功率型(5KVA以下)，中功率型(5KVA-30KVA)，大功率型(30KVA以上)。在国际电工委员会(IEC，International Electrotechnical Commission)于1999年制定标准IEC62040中，根据UPS不同的结构和性能，把UPS分成3类:被动后备式，在线互动式和双转换式。1.2.1被动后备式(Passive Standby)被动后备式UPS是最基本的不间断电源形式。在这种形式下，市电直

22、接连接到用电设备，在市电正常的情况下，用电设备的供电由市电直接提供，充电电路为蓄电池充电。当市电降低到UPS预先设定的阀值时，被动后备式UPS开启DC-AC逆变器，逆变器由内部蓄电池组供电。然后UPS调节输出端的开关，将用电设备的供电由市电直接供电改成了DC-AC逆变器的输出供电。这一转换过程的时间通常是几十个毫秒，时间长短取决于UPS对于市电供电不足的反应快慢。图1-1(a)和图1-1(b)分别表明了被动后备式UPS在市电正常情况下和市电过压、欠压及功率不足情况下的工作原理。 (a)市电正常时被动后备式UPS的工作原理图 (a)Passive Standby UPS Running Prin

23、ciple when Normal AC Supply(b)过压、欠压和功率不足时被动后备式UPS的工作原理图(b) Passive Standby UPS Running Principle when over/under voltage or Power Loss图1-1被动后备式UPS的工作原理图Figl-1Passive Standby UPS Running Principle1.2.2在线互动式(Line-Interactive)在线互动式UPS的工作原理和被动后备式UPS的工作原理大致相同，但前者比后者增加了多接头电压可调式自藕变压器，如图1-2(a)和图1-2(b)所示。这种变

24、压器是一种特殊的电力变压器，它可以根据输入电压的大小，通过增加或者减少祸合线圈的圈数，提高或者降低变压器的输出电压。 (a)市电正常或稍有波动时在线互动式UPS的工作原理图 (a) Line-Interactive UPS Running Principle when Normal AC Supply or Small over/under Voltage Condition(b)市电大幅波动时在线互动式UPS的工作原理图(b) Line-Interactive UPS Running Principle when Large over/under Voltage Condition 图1-2

25、在线互动式UPS的工作原理图Fig 1-2 Line-Interactive UPS Running Principle 在线互动式UPS允许输入电压在小范围内波动，无论电压偏高还是偏低，只要在变压器允许的范围之内，UPS就不会切换成蓄电池逆变供电，以节省有限的蓄电池能量。系统通过自动改变输入电压的接头补偿输入电压的偏差。1.2.3双转换式(Double Conversion ) 双转换式UPS又称为在线式(Online) UPS，之所以称为在线式，是因为无论市电质量如何，用电设备的供电都要经过逆变器，也就是说，逆变器始终处于工作状态，如图1-3所示。双转换指的是整流和逆变，即电网电压经过了交

26、流到直流，再从直流到交流的两次变换。即使在市电电网完全正常的情况下，整流器的输出电压直接驱动逆变器。双转换式UPS增加了旁路电路，如果系统出现故障时，可将输出端切换到旁路供电，便于系统的检修而不影响用电设备的供电。 双转换式UPS通常用于要求电气隔离的环境和对功率浮动敏感的设备。双转换式UPS的功率大到几十千瓦，小到几百瓦，可以满足各种应用的需要。双转换式UPS的价格比较昂贵，常用于工业设备、数据中心等电力环境嘈杂的大型负载。 双转换式UPS的蓄电池组始终和逆变器相连接，以至于不需要转换开关。如果市电电网供电不足，蓄电池组可以维持电压的稳定性，这时候整流器不起作用。当电压恢复时，整流器输出电压

27、重新驱动给逆变器，市电通过充电器给蓄电池充电。 双转换式UPS经过AC-DC和DC-AC两次变换之后，在输入电网和电器设备间树立了一道隔离护栏，使得电器设备不受电网电压波动的影响。与被动后备式和在线互动式相比，双转换式有效的改变了电网质量不稳的问题，不论输入信号如何，都可以根据需求改变输出信号的幅度和频率。 图1-3双转换式UPS结构图Fig 1-3 Structure of Double Structure UPS1.3 UPS逆变电源的发展趋势和数字化控制的意义 UPS逆变电源正朝着高频化、冗余并联化、绿色化和智能化的方向发展。 (1)高频化: 随着半导体技术的迅猛发展，UPS的功率开关器

28、件经历了从可控硅，大功率场效应管，到IGBT的演变。开关器件的更新换代，使得器件转换时间不断缩短，器件承载的电流强度不断增加。IGBT可以使切换速度达到SOkHz，从而实现了UPS电源的高频化。 (2)冗余并联化: UPS的一个发展方向就是并联，多台UPS逆变电源并联运行给负载供电。UPS逆变电源并联主要应用于小功率的UPS逆变电源和大功率用电设备。多台UPS并联工作，既可以随意配置UPS的总功率，也提高了系统的可靠性。即使有一台UPS机器发生故障，其他UPS·同样可以保证负载的正常运作。 (3)绿色化:UPS逆变电源除了为供电设备提供应急供电之外，也有效地改善了负载供电质量。输入端

29、高效的滤波电路和输入功率因数校正电路，有效地抑制了电路本身的谐波信号，改善电网电力污染。 (4)智能化:微处理器的广泛应用推动了UPS智能化的进程。将微处理器应用在UPS逆变电源中，为UPS提供了很多智能化的监控和检测，例如实时监控、故障处理、远程遥控等。这些智能化的理念更加丰富和完善了UPS的功能。 传统的UPS控制电路采用模拟电路为主的元器件，存在以下不足之处。 (1).模拟电路多采用分立元件，电路板的设计和制作的难度较大，电路制作的成本较高。 (2).模拟器件容易产生老化，相同器件一致性差，器件的性能容易随着温度的变化而变化。 (3).模拟集成芯片虽然可以帮助降低电路设计的复杂程度，但需

30、要依靠外接电阻电容等元器件实现环路控制，而这些元器件的不稳定性会影响环路控制的精准度和电路的性能。(4).以模拟器件为主的电路需要调整参数。1.3.1采用DSP设计电路的优越性体现 本文采用TI高性能数字信号处理芯片TMS320LF2407A作为UPS逆变电源反馈控制处理器，使得逆变控制系统运算速度快，外围辅助电路少，算法控制精准，系统集成度高。采用高性能DSP设计电路的优越性体现在以下几个方面。(1).系统设计方便。可以在DSP中植入逆变控制算法，高效智能的控制算法取代了原先繁杂的硬件模拟电路。系统升级也十分方便，可以在线调试，在线更新DSP算法，而不用修改外围电路。(2).输出信号质量稳定

31、。由于采用了DSP作为UPS的系统控制单元，实时采集逆变之后的电压幅度、相位、频率等信息，根据控制算法调整SP WM波形的参数，使得输出电压波动范围小，波形失真度低。(3).DSP通过ADC接口与系统相连，采集系统电压、电流、相位等参数，通过GPIO和PWM发出控制信号，控制开关器件，维持系统运作。(4).系统维护方便。可以把系统监控模块嵌入在DSP中，一旦系统出现问题，可以记录下运行出错时系统的各种信息，方便维护人员排查检修。(5).通信接口丰富，易于联机。DSP芯片自带了多种通信接口，容易实现人机交互界面，也可以实现多个设备的联机监控和调试，易于实现UPS网络化运行。1.4本章小结 简要介

32、绍UPS的分类、发展趋势、项目研究的背景和意义，提出了基于DSP的数字化UPS逆变电源的控制方案。详细介绍了各类不同UPS的运行原理和各自优缺点。2 在线式UPS的系统结构2.1 在线式UPS系统框图 在线式UPS逆变电源一般包含以下组成部分:输入整流滤波电路，功率因数校正电路，蓄电池组、充电电路、逆变电路、静态开关电路、人机交互、微控制器。在线式UPS的系统框图如图2-1所示。 图2-1 UPS系统框图 Fig 2-1 Block Diagram of UPS System2.2在线式UPS系统组成 (1)输入整流滤波电路在线式UPS的整流电路，是将输入的交流电转换成直流电，为下一步逆变做准

33、备。同时，整流之后的直流电经过降压处理还可以为蓄电池组充电。整流的方式有两种，一种是利用可控硅和大功率二极管作为整流器件，有半桥整流、全桥整流、6脉冲整流、12脉冲整流等方式。另一种是采用隔离变压器，把市电降压之后再用二极管桥式整流。前者常用于大功率UPS，后者用于小功率UPSo整流之后的电信号只是一个带有波纹的直流信号，除了直流成分以外，还有交流成分。滤波电路可以抑制整流之后的交流信号，将带有波纹的直流信号变成平滑的直流信号。常用的滤波电路有RC滤波，LC滤波等。 (2)功率因数校正电路功率因数PF ( Power Factor)指的是交流输入有功功率P和视在功率S的比值， 即: 在UPS系

34、统中，交流输入信号经过整流后，直接加到滤波电容和蓄电池两端。如果交流输入信号的电压幅度高于滤波电容两端的电压时，滤波电容开始充电。这就在电容器和充电器间形成了脉冲电流，导致了高次谐波的形成，使得功率因数下降，对电网造成干扰。功率因数校正电路就是为了提高系统输入端的功率因数，抑制高次谐波对电网的干扰，使得电网输入电流和输入电压接近同相位 (3)蓄电池组蓄电池组作为最为常用的储能装置，广泛应用在UPS中。在市电正常时，通过直流电对蓄电池组充电，将电能转换成化学能。在市电中断时，蓄电池为UPS提供应急能源，将存储的化学能转换成电能。当UPS正常工作时，蓄电池组是按照连续浮充的方式充电的，整流器和蓄电

35、池组并联工作。逆变电路的输入直流信号是由整流器供给，同时，整流器也供给一部分电流到蓄电池组，作为电池放电消耗的补偿O21。除此之外，浮充充电的方式还可以改善UPS的瞬态响应。如果UPS的负载电流在短时间内增加，蓄电池组可以提供很大的放电电流。 (4)充电电路 UPS的充电分为两个阶段，在充电初期采用恒流充电的方式，当蓄电池组的电压达到浮充电压之后，充电器改成恒压充电的方式。充电电路有采用开关器件的，也有采用可控硅整流器件的，这取决于UPS的功率。充电方式的切换是由控制芯片完成的。控制芯片在充电过程中检测两个物理量:电池电压和电池电流。通常，充电器的工作式独立于逆变器的，只要UPS的电源接通，充

36、电电路就处于工作状态，开始为蓄电池充电。 (5)逆变电路 逆变是把整流之后的直流电转换成交流电，传输给负载提供电源。逆变之后的交流电消除了市电的尖峰、浪涌、谐波干扰等不稳定因素。逆变的主要器件是IGBT大功率器件，微处理器通过SPWM波驱动IGBT，输出交流信号，经过滤波之后供给负载使用。(6)静态开关电路静态开关作为旁路供电和逆变供电的切换装置，不仅起到了转换的作用，还对负载和逆变器起到了有效的保护作用。如果UPS输出过载，那么静态开关为了保护逆变器，会将负载供电切换成市电供电。如果逆变器出现故障时，为了保护负载，静态开关也会将负载供电切换到市电。小功率UPS采用继电器作为静态开关，本文采用

37、的是可控硅作为静态开关，一对反向并联的可控硅就可以作为转换器件使用，转换时间为微妙级。 (7)微处理器微处理器是UPS的核心，在整个UPS中起到了控制的作用，是整部机器的控制中心。本文采用的是TI生产的高性能DSP芯片TMS320F2808作为UPS的控制单元，DSP的ePMW端口输出SPWM波驱动IGBT ADC通道对系统的各种参量进行采样，包括输入信号、反馈信号的电压、电流和频率，电池的充电电压和充电电流等参数。DSP的I/0通道作为各种开关量的控制端，根据系统的运行状况实时地驱动系统内部各个开关，调节系统正常运作。DSP内部的通信单元作为与人机交互界面的通信接口，方便用户更直观的使用UP

38、S设备。 (8)人机交互 人机交互作为可视化界面，方便用户操作UPS设备，实时获取UPS的工作状态，设定UPS的工作模式。本文界面采用大屏幕触摸屏，图形化的操作界面，用户可以从中了解到UPS设备运行的历史记录和日志2.3 在线式UPS的工作原理在线式UPS的开机是一个软启动过程，输出信号平稳变大，避免由于输出信号瞬间变化过大而导致负载损坏或者输出异常。软启动过程结束后，系统开始正常工作。UPS正常工作时有以下几种情况:(1)当市电正常时，逆变器的工作电压由市电经过整流滤波后提供，DSP控制电路产生SP WM信号驱动逆变器，将直流信号转换成纯净的正弦波信号输出给负载。同时，市电经过整流和滤波之后

39、，送至蓄电池充电电路，给蓄电池充电，蓄电池电压不提供给逆变器。市电经过整流、逆变、滤波之后，输出波形稳定的高质量正弦波到负载。DSP控制器不断地采集输入和输出端电压的幅度和频率，并根据算法实时修正输出信号的波形。(2)当市电发生故障时(市电超过或者低于系统设定的阂值)，逆变器仍然工作，但是逆变器的工作电压由蓄电池提供。UPS将蓄电池的电压转换成正弦信号输出，负载端用电的能量全部来自于蓄电池存储的能量。(3)逆变器发生故障时，或者由于某些原因输出过载，系统将切换到旁路工作模式，这时，负载由市电直接供电。通常情况下，逆变器出现故障时，系统会发出警报，提醒管理人员即时修复。总的来说，对于在线式UPS

40、，除了逆变器发生故障之外，输出端的信号总是由逆变器提供。在市电出现故障时，系统迅速将逆变器的供电转换成蓄电池供电，UPS的输出不会有任何间断。在UPS的输出端，以及整流器之后，通常都会接滤波电路，这样设计可以最限度地降低来自于市电的干扰，而逆变器的开关信号是由控制电路发出的，控制电路又在根据输入输出信号的幅度和相位不断调整逆变器驱动信号的参数，所以在线式UPS可以输出高质量的稳定的正弦信号，确保负载工作电源稳定。2.4本章小结本章对在线式UPS系统进行了介绍。分析了其组成部分:输入整流滤波电路，功率因数校正电路，蓄电池组、充电电路、逆变电路、静态开关电路、微控制器、人机交互。对这些组成部分进行

41、了简要介绍。同时介绍了UPS正常工作时的几种模式。最后指出逆变器、可控硅和同步锁相在UPS系统中的重要作用。3 功率因数校正3.1 概述 功率因数是衡量电器设备性能的一项重要指标。功率因数低的电器设备，不仅不利于电网传输功率的充分利用，而且往往这些电器设备的输入电流谐波含量较高，实践证明，较高的谐波会沿输电线路产生传导干扰和辐射干扰，影响其它用电设备的安全经济运行。如对发电机和变压器产生附加功率损耗，对继电器、自动保护装置、电子计算机及通讯设备产生干扰而造成误动作或计算误差。因此防止和减小电流谐波对电网的污染，抑制电磁干扰，已成为全球性普遍关注的问题。国际电工委与之相关的电磁兼容法规对电器设备

42、的各次谐波都做出了限制性的要求，世界各国尤其是发达国家已开始实施这一标准。 3.1.1 谐波的产生及危害目前比较流行的ACDC的方法如下：图3-1 全波整流电路Figure.3-1 full-wave rectifier circuit(1)电容输入式滤波电路适用小功率电源中。电容输入式：电容接在最前面。(2)接滤波电路的目的是消除电压纹波。分析：交流电源经全波整流后接一个大电容器，可以得到较为平滑的直流电压。使用这种电路的结果是虽然输入电压是正弦波，但输入电流波形却严重畸变，呈脉冲状。脉冲状的输入电流，除含有基波外，还含有大量的谐波，一方面使谐波噪声水平提高，同时也降低了用电的效率。大量的谐

43、波电流分量倒流入电网，造成对电网的谐波污染，一方面产生“二次效应”，即电流流过线路阻抗造成谐波电压降，反过来使电网电压也发生畸变；另一方面，会造成电路故障使变电设备损坏。例如，线路和配电变压器过热；谐波电流还会引起电网LC谐振，或高次谐波电流流过电网的高压电容，使之过热而爆炸；在三相电路中，中线流过三相三次谐波电流的叠加，使中线过流而损失，等等。3.1.2 功率因数的定义功率因数的定义：线性电路的功率因数习惯定义为cos,为正弦电压与正弦电流之间的相位差。 当电压与电流均为正弦波时，该分式是适用的，但当电压或电流含有谐波分量时，该定义无效。功率因数（Power Factor）：PF定义：PF=

44、有功功率/视在功率=P/VI在AC/DC电路中，输入电压为正弦波，输入电流为非正弦波，电流有效值。其中，为基波分量，二次谐波，n次谐波分量的有效值。3.1.3 提高功率因数的方法(1).无源功率因数校正 采用无源功率因数校正时，在输入端加入电感量很大的低频电感，以使减小滤波电容充电的尖峰电流，增加二极管的导通时间。这种方法简单，成本低。可靠性高，但是体积大，笨重，校正的效果不理想，通常经无源功率因数校正可达0.85。而且，工作性能与频率，负载变化及输入电压变化有关。(2).有源功率因数校正器 有源PFC技术是在整流器和滤波电容之间增加一个DC/DC开关变换器。其主要思想是：选择输入电压为一个参

45、考信号，使得输入电流跟踪参考信号，实现输入电流的波形与输入电压为同频同相的正弦波，以提高PF和抑制谐波；有源功率因数校的另一个功能就是为后一级电路产生稳定的直流电压。有源PFC的主要优点：可得到较高的功率因数，有0.970.99左右。THD低，可在较宽的输入电压范围内工作，体积小，重量轻。（THD：总谐波畸变）3.2 BOOST型PFC电路的分析功率因数校正器主要有两个功能：首先控制电感电流波形，使它能跟踪输入电压的波形，从而得到高功率因数；同时，它必须为后一级电路提供平滑的直流电压。电路的工作原理：输出电压和基准电压送入电压控制环，实现相应的控制算法，以控制和的值相等，电压控制环的输出信号与

46、输入电压值相乘，该信号作为电感电流的参考信号。电感电流经过霍尔元件采样后与参考信号进行比较，送入到电流控制环中以实现电感电流能时刻跟踪，在稳定工作时，电压控制环的输出基本不变，所以乘法器的输出也基本上是和输入电压成比例的波形，这样就实现了输入电流对输入电压的跟踪。 BOOST型有源功率因数校正原理图如下：图3-2 BOOST型有源功率因数校正原理图3.2.1 主电路与DSP的连接基于DSP的功率因数校正的原理图（见图3-3）。(1)传统的功率因数校正都是用模拟控制的方法，运用专用芯片3854等，外围再加上运放电路实现模拟PI调节器，这种方法需要外接电阻电容，运放等元件，电路较复杂。而且元件有老

47、化，温漂等现象。(2)通过高性能的数字信号处理芯片，我们可以用数字控制代替模拟控制技术实现功率因数校正，它的电路简单，PI控制在芯片内部用软件实现，升级方便。而且与逆变的控制部分等综合在一起，容易实现UPS单芯片控制。工作原理：输出电压，输入电压和输入电流经隔离采样后送到DSP的ADC模块进行模数转换，这些值在一定时间经过一系列数字PI控制后，给全比较单元产生一个新的比较值，该比较值将在下一个开关周期改变PWM波形的占空比，这样就达到了控制输出电压为400V和控制输入电流为正弦波的目的。图3-3 基于DSP的功率因数校正原理图Figure.3-3 DSP-based power factor

48、correction diagram3.2.2 采样电路利用霍尔元件在磁场中产生感应电压的霍尔效应，可以将原边主电路中的电压、电流转变为副边的电压，同时霍尔元件具有电气隔离功能，我们可以通过使用霍尔元件实现主电路与控制电路的隔离，以避免主电路带来的干扰。霍尔电压元件的原理：当电流流过霍尔元件时，在它的副边会产生与原边电流一定比例的电流。该电流流过电阻产生一定的压降便可得知主电路的电流信息。电压霍尔元件的原理：将大电阻串入电压霍尔元件的原边，得到原边电流，该电流能在副边产生一定比例的副边电流，副边电流流过电阻产生的压降能够反映主电路的电压值。本设计选用集成霍尔传感器，该集成器件有以下的特点：1.

49、 可以测量任意波形的电压和电流。2. 一次侧与二次侧电路间完全隔离。3. 精度高，动态性能好，其相应时间小于1s灵敏度。4. 线性度好，工作频带宽，过载能力强，尺寸小。输入输出端电压传感器选择：成都昆峰电子公司的磁补偿式电压传感器JT50-PC，其工作电源电压：稳压±15V；测量精度：±0.6%；工作环境温度：+25；二次侧直流内阻：90。应用电路图如下：RO+15VV+AC/DC逆变器RmU-HT+HT -15VV-图3-4霍尔集成器件电压测量电路Fig.3-4 Hall's integrated device voltage measurement circui

50、t输出端电流传感器选择：成都昆峰电子公司的磁补偿式电流传感器JT100-PC。工作电源：稳压±15V；测量带宽直流：10KHz；跟踪测试电流速度：di/dt50A/s。此型号传感器采用完全绝缘式外壳封装，测量频率范围宽，相应速度快。应用电路图如下：+15VV+AC/DC变换器微机口A/DV-Rm-15VJT100-PC图3-5 霍尔集成器件电流测量电路Fig.3-5 Hall's integrated device electric current measures the circuit经过霍尔元件的隔离与运放的处理后，送入到DSP的AD转换的电压不但满足015V的范围；还

51、与主电路隔离了，因此提高了整个电路的抗干扰能力。3.2.3 主电路分析首先我们假设：1）输入为正弦波电压Umsin1t，Um是交流电压的幅度，1为交流电压的角频率。2）功率管S工作在恒定频率下，频率为，它远大于输入电压的频率。3）电感L是线性的，而且不会工作的饱和状态。4）功率开关管为理想模型，导通时电阻为零，关断时电阻为无穷大。5）不计功率损耗。在此选择BOOST作为功率因数校正的主电路，采用电流连续工作方式，使用平均电流控制。图3-5 功率因数校正主电路图 Fig.3-5 main circuit power factor correction电路状态方程： (3-1)其中 ，是功率管S的

52、开关函数。当S导通时，=0；当S关断时，=1；。（注：为功率管导通的时间。）为了获得电路连续状态方程，我们可以对（1）式中各变量的傅立叶系数写成：式中下标（l）表示该变量的低频分量；下标（h）表示该变量的高频分量。固由状态方程（1）可得到两个状态方程：（低频状态方程） (3-2)（高频状态方程）(3-3)经分析可得：如果要满足在市电一半周期的所有时间都保持连续导电，必须满足：。（是连续导电模式电感的临界值。）电感越大则交越失真的时间越长，如果要求交越失真的时间减少，电感值不能选得过大。当功率因数校正电路工作在稳定状态，输入平均电流应当跟随输入电压，它的波形为，所以电感电流为。在市电的半个周期中

53、，假设时间从开始，则有 故低频状态方程可改写 （3-4）解上面的方程第一式可以得到一般情况下输出电容C取得足够大，输出电压的纹波比直流电压小得多，可以忽略。这时有 () （3-5）为电容的直流输出电压，忽略纹波。可以表示为，后一项我们表示为。将（3）式代入（2）式中的第二个方程，则有可以看出，输出电压由三部分组成：直流分量、远低于开关频率的交流分量、等于或高于开关频率的交流分量。输出电容足够大时，第三部分可以忽略，所以输出电压的谐波主要在第二部分。故有 (3-6) 由上式可知，输出电压的谐波比率近似与输出功率成正比，与滤波电容大小成正比。3.2.3 主电路及PI调节器的参数选择本PFC电容的最

54、大功率为1KW，此时输入电流的有效值为5A左右，若要满足电感电流连续则有：在此部分设计输出电压为400V，满功率运行时，负载电阻RS=160,根据前面的分析有若要使纹波小于1%，将各量的值代人可得C1000×10-6。故我们选择PI调节器参数选择：我们可以通过MATLAB建立仿真模型，并初步估计、的值，（注：电压、电流PI调节器的形式均为：。）再将程序下载到DSP中，并不断调节、的值，直到输出波形令人满意为止。由于时间及条件有限，在此暂不讨论。4 逆变器部分4.1 主电路（逆变部分）分析分析：单相逆变桥的电路有推挽逆变电路，半桥逆变电路，全桥逆变电路等。推挽逆变电路会带来不平衡现象，

55、导致变压器饱和，功率管电流过大。半桥逆变电路的直流电压全增加功率管的应力，要输出220V的交流电压就要使用至少620V直流电压会增加功率管的应力。全桥逆变电路比较适合用于大功率的场合，故选择的主电路是全桥逆变电路。图4-1 单相全桥逆变电路Fig.4-1 single-phase full-bridge inverter circuit工作过程分析：1）当，为高电平时，不妨设电流为正，导通，电流流向为：电源正极电源负极,此时电压。2）一段时间后，变为低电平，变为高电平。（i）若电流为正，电流流向为：电源负极电源正极，此时电压。（ii）若电流为负，电流流向为：电源正极电源负极，此时电压。 其中，

56、 ，别是四个功率管的驱动电压波形，其中 、与，的波形是互补的。 图4-2 全桥逆变电路的主要波形图Fig. 4-2 full-bridge inverter circuit main waveforms的波形图见上，虚线为的平均电压。4.2 正弦波脉宽调制技术（SPWM）对于逆变器的输出电压，基本要求就是输出电压的基波分量大小可控，逆变器输出电压波形的谐波分量尽可能小。本文采用正弦脉冲宽度调制技术(SPWM)，通过调节SPWM的控制信号的频率和脉冲宽度，达到调节输出信号的基波电压幅度，改善输出电压的质量。这种调控方法属于逆变器通过改变开关信号自身调节其输出波形的方法，是一种高效的控制手段。经典

57、的采样控制理论中，有一条很重要的原理:冲量等效原理。大小、波形不同的窄脉冲变量，例如电压v(t)，作用于惯性系统(例如LR电路)时，只要他们的冲量，即变量对时间的积分相等，其作用效果相同，形成的电流响应也相同。这就是SPWM技术的理论基础。也就是说，只要对逆变电路的开关器件进行适时的控制，在适当的时候开通或者断开逆变电路的开关，每个时间段内的电压脉冲足够窄，输出的脉冲波形可以与正弦波的效果相同。正弦波脉宽调制（SPWM）波形：就是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形。原理：把正弦波分成N等份，然后把每一等份的正弦曲线与横轴包围的面积用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值量不

58、变，各脉冲的中点与每一等分的中点重合。 这样，由N个等幅不等宽的矩形脉冲组成的波形与正弦波形等效，称作SPWM波形。SPWM波有两种：单极性SPWM和双极性SPWM。4.2.1 单极性正弦波脉宽调制图4-3 单级性SPWM波形图Fig.4-3 Single-stage waveform of SPWM分析：单极性SPWM波形产生是由逆变器上桥臂中两个功功率开关T1和T2反复导通和关断形成的（T3恒导通）。其等效正弦波为,而SPWM脉冲系列波的副值为，各脉冲宽度不等，但中心间距相同，都等于，N为正弦波半个周期内的脉冲数。令第个矩形波形宽度为，中心点相角为。则有根据面积相等的等效原则，有当N时，,

59、于是有。设基波分量的角频率为，幅值为，K次谐波分量的幅值为。则有 对于各次谐波，显然K，N越大，越小。上式表明，单极性SPWM逆变器中的谐波分量除了随K的次数增大而自然消除外，对低次谐波还可以通过脉冲数的增加来减少。当K=1，且令 ，则可以得到基波分量的幅值将的表达式代入有再将的表达式代入有由此可见，输出电压的基波电压正是调制时所要求的正弦波。4.2.2 双极性正弦波脉宽调制 图4-4 双极性SPWM波形图Fig.4-4 bipolar SPWM waveform分析：在单极性正弦波脉宽调制过程中我们发现，脉冲电压要么是0，要么是 。电压只在“正”和“零”之间变换，主电路 每次只有T1，T2管

60、反复导通与关断。如果让T1，T2，T3，T4交替导通与关断，则输出脉冲在“正”和“负”之间变化，就可得到双极性SPWM波形。与单极性SPWM分析类似，我们可以得到总结：根据以上分析我们可以发现，这种脉宽调制技术的一个重要特点：输出波形中基本不包括低次谐波，在脉宽输出波中仅存在与载波频率相近的高次谐波。当载波频率为20KHZ时，输出电压的最低谐波都在几千赫，这样滤波器可以大大减小，对SPWM的脉宽进行调节，我们可以得到不同幅值的正弦波电压。4.3 SPWM波形的实现SPWM波形的实现：包括模拟方法和数字方法。1）采用比较器电路实现SPWM波形原理简单，但需要很多器件，电路比较简单。2）微控制器实

61、现由于受到系统时钟频率和计算能力的限制，SPWM的脉冲频率不会很高。3）应用单片机产生SPWM波形，其效果受到指令功能的限制，有时难有很好的实时性。4）传统的产生SPWM波形的方法能够用于逆变器中实现幅度和频率可调的正弦波电压。当负载为线形时还好，但它不是对输出电压进行逐点控制的，因此该逆变器带非线形负载时，电压将发生畸变，谐波增加，严重影响负载的正常工作。DSP是一款高性能的数字处理芯片，它不仅运算速度快，还有专门用于实现PWM的片内外设。运用DSP我们可以方便的实现频率很高SPWM控制信号，从而减少滤波器的尺寸。而且DSP完全有可能用于逆变器中实现输出电压的逐点控制。4.4 DSP在逆变器

62、中的应用4.4.1 带死区信号的产生DSP芯片的事件管理模块EVA/B各有三个全比较单元，每个全比较单元有两个相应的比较/PWM输出。它们产生PWM波形的工作原理如下：设置计数器1的工作模式。由于我们需要的对称的PWM波形，故将计数器设置为连续增/减计数模式。计数器启动后，从0开始往上计数，计数器达到设定值后，计数器往下计数到0，然后接着开始下一周期的计数。每个比较单元有一个16位的比较寄存器。当计数器的值与该寄存器的值相等时，PWM输出电平改变。在每个PWM周期寄存器由新的比较值重写，以调整PWM输出的脉冲的宽度来控制功率器件的开关时间。因为比较寄存器是映像的，新的值可以在一个周期改变PWM输出的脉宽。图4-5 全比较单元产生带死区的PWM波形