基于DSP2812的單相EPS的研制

楊 軍，李曉寧，李均龍，張文睿

(電子科技大學(xué)，四川 成都 611731)

基于DSP2812的單相EPS的研制

楊 軍，李曉寧，李均龍，張文睿

(電子科技大學(xué)，四川 成都 611731)

應(yīng)急電源是電網(wǎng)供電異常時(shí)，向用戶提供暫時(shí)電力供應(yīng)的獨(dú)立裝置。為了克服常規(guī)單級(jí)逆變電路需要的電池?cái)?shù)量太多，不宜維護(hù)的缺點(diǎn)，采用逆變器 Boost-逆變兩級(jí)電路，并基于 DSP2812設(shè)計(jì)了一個(gè) 3.6 kW 的單相應(yīng)急電源 EPS，主要研究了逆變系統(tǒng)各重要元件參數(shù)的選取方法以及逆變系統(tǒng)的控制方法，最后進(jìn)行了測(cè)試和分析，證明了該系統(tǒng)的可行性。

應(yīng)急照明電源；逆變系統(tǒng)；DSP

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會(huì)對(duì)供電的依賴越來越大，尤其是一些重要的公共建筑，一旦中斷供電，將造成重大的社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)損失。因此，應(yīng)急電源作為獨(dú)立于電網(wǎng)之外的備用電源，被廣泛應(yīng)用于各種建筑工程之中[1-3]，如火災(zāi)應(yīng)急照明、隧道應(yīng)急照明和監(jiān)控等，其作用是在事故發(fā)生的情況下確保提供所需的應(yīng)急電力，為人們生產(chǎn)和生活安全提供保障。

應(yīng)急電源是與電網(wǎng)在電氣上獨(dú)立的各種電源，目前應(yīng)用較多的是柴油發(fā)電機(jī)和蓄電池。其中蓄電池有允許短時(shí)電源中斷的應(yīng)急電源裝置(EmergencyPower Supply，EPS)和不間斷電源裝置(Uninterrup-table Power Supply，UPS)兩種。

與柴油發(fā)電機(jī)和 UPS相比，EPS具有管理智能化、使用壽命長(zhǎng)、過載能力強(qiáng)、保護(hù)功能完善、無排氣、無噪聲等優(yōu)勢(shì)[1]。隨著數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、高速單片機(jī)和智能功率模塊(IPM)的出現(xiàn)，EPS的數(shù)字控制技術(shù)也得以成為現(xiàn)實(shí)[2]。本文基于 DSP2812設(shè)計(jì)了一個(gè) 3.6 kW 的應(yīng)急照明電源，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)核心軟硬件的設(shè)計(jì)，測(cè)試效果良好。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的應(yīng)急電源是單相型的，逆變器輸出的是單相交流電，中心控制處理電路是以 DSP2812[6]為核心的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

DSP2812是美國(guó)TI公司推出的定點(diǎn)32位DSP芯片，其內(nèi)部集成有PWM模塊，適合用于電力電子、工業(yè)控制、電機(jī)控制等，用途廣泛。DSP2812較低的供電電壓大大地降低了系統(tǒng)功耗，給電源設(shè)計(jì)帶來更高的可靠性[3]。

系統(tǒng)包括充電器、逆變器、切換開關(guān)、檢測(cè)電路、蓄電池、觸摸屏顯示監(jiān)控和主控制板等。其中逆變器和充電器是整個(gè)系統(tǒng)的核心。充電器的作用在蓄電池欠壓時(shí)恢復(fù)蓄電池的容量，逆變器的功能是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，提供持續(xù)穩(wěn)定的輸出，切換開關(guān)的主要作用是確保電網(wǎng)供電和逆變器供電能夠在適當(dāng)?shù)臈l件下完成切換。主控板的作用對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在觸摸屏上顯示系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)，并在系統(tǒng)故障時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

2 EPS逆變電路的設(shè)計(jì)

逆變系統(tǒng)是 EPS的核心，其性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)能否正常運(yùn)行，其主要功能是完成交直流點(diǎn)的轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)采用蓄電池作為電源，也就是將來自蓄電池的直流電轉(zhuǎn)換為交流電提供給負(fù)載。逆變器輸出的交流電必須滿足設(shè)計(jì)要求，即頻率穩(wěn)定在50 Hz左右，輸出電壓穩(wěn)定，受負(fù)載影響小，正弦波的畸變因素THD小于特定值。

圖1 單相 EPS系統(tǒng)總體框圖

2.1 逆變電路的硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 逆變主電路設(shè)計(jì)

為了減小電源的體積，主電路采用 Boost-逆變兩級(jí)電路，電路前級(jí)通過 Boost電路將蓄電池組的電壓升高，可以減少蓄電池?cái)?shù)量，讓系統(tǒng)輕量化并降低成本，后級(jí)為電壓式單相全橋逆變電路[4]，如圖2所示。控制電路對(duì) 4個(gè)功率管 T1，T2，T3和 T4的通斷時(shí)間進(jìn)行控制，使其處于交替導(dǎo)通狀態(tài)，將360 V直流母線電轉(zhuǎn)換成幅值相等(360 V)而脈沖寬度不斷變化的SPWM波電壓，再通過LC低通濾波器后輸出220 V的正弦交流電壓。

圖2 單相EPS升壓-逆變電路原理示意圖

電源由10節(jié)蓄電池串聯(lián)起來，電壓為120 V，而直流母線的電壓為360 V，所以逆變電路開關(guān)管集電極和發(fā)射極之間的電壓 Vce為：

根據(jù)電路上的電壓等級(jí)，逆變電路選擇的 IGBT型號(hào)為富士公司的電壓電流等級(jí)為600 V/100 A的2MBI-100VA-060-50。Boost電路所選用的IGBT型號(hào)為英飛凌公司的電壓電流等級(jí)為600 V/80 A的IKW75N60T。升壓電路是非隔離型電路，可能從蓄電池端引入脈動(dòng)，為了進(jìn)一步平滑直流輸出電壓中脈動(dòng)電壓的幅值，取電解電容為2 000 μF，由兩個(gè)1 000 μF/ 450 V的電解電容并聯(lián)而成。為了消除噪聲對(duì)電路的干擾，在電解電容上并聯(lián)一個(gè) 0.47 μF的無極性電容 C2，用來吸收高頻噪聲，起到高頻旁路的作用[5]。

2.1.2 緩沖電路的設(shè)計(jì)[6]

為了達(dá)到保護(hù) IGBT的目的，在逆變電路中加入了 RCD緩沖電路。如圖3所示，圖中Lm為主電路中總的雜散電感，Ls為緩沖電路中的雜散電感，Cs，Rs，Ds分別為吸收電容，吸收電阻和吸收二極管。電阻R上的功率為：

圖3 RCD緩沖電路圖

式中，Vce為最大的集電極-發(fā)射極電壓，Cs為緩沖電容，f為電路的工作頻率。在本文所用的電路中，Vce為600 V，f為20 kHz。為了減少電路中消耗的功率，一般要求 PR≤120 W，即：

因此緩沖電容為：

一般選 Cs為0.01 μF，即標(biāo)稱103的無極性高壓電容，耐壓值為1 kV。

在SPWM調(diào)制方式中，最小占空比D=0.1，T為IGBT開關(guān)周期，T=1/f=1/20×103=5×10-5=50 μs，實(shí)際上取 R為100，而電阻功率為：

2.2 逆變電路的控制軟件設(shè)計(jì)

應(yīng)急電源逆變器在電網(wǎng)斷電時(shí)工作。蓄電池的直流電壓隨著時(shí)間變長(zhǎng)而逐漸降低，同時(shí)負(fù)載端也會(huì)出現(xiàn)變化，從而影響到逆變器輸出電壓的穩(wěn)定，因此需要設(shè)計(jì)電壓負(fù)反饋閉環(huán)來穩(wěn)定輸出電壓。通過采集輸出電壓的有效值，與設(shè)定值進(jìn)行比較決定 PI控制參數(shù)，然后輸入到控制器，對(duì)Boost電路PWM波形的占空比進(jìn)行調(diào)整，從而達(dá)到調(diào)整輸出電壓的目的，其控制結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 逆變電路控制結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)將逆變器輸出端的交流電壓通過采樣和調(diào)理電路反饋給DSP，然后DSP通過PI算法來改變SWPM波的調(diào)制度，進(jìn)而穩(wěn)定逆變電路的輸出電壓[7-9]。逆變程序的流程圖如圖5所示。

圖5 逆變子程序流程圖

3 系統(tǒng)測(cè)試與分析

在上述工作基礎(chǔ)上，最終搭建了3.6 kW的EPS系統(tǒng)樣機(jī)。

蓄電池組的電壓為120 V，而逆變器需要的輸入電壓是 360 V。因此需要通過 Boost電路將蓄電池電壓升高，從而使逆變器可以輸出 220 V電壓。Boost電路輸出直流電波和驅(qū)動(dòng)電路波形如圖6所示。

圖6 Boost電路輸出與驅(qū)動(dòng)波形

由圖可見，Boost電路輸出的直流電壓比較穩(wěn)定，波動(dòng)小，而 Boost電路的驅(qū)動(dòng)波形比較穩(wěn)定，負(fù)壓有較大幅值能確保 IGBT的關(guān)斷，負(fù)壓部分雖有細(xì)微波動(dòng)，但不影響對(duì) IGBT的驅(qū)動(dòng)，達(dá)到負(fù)荷設(shè)計(jì)要求。

本文設(shè)計(jì)的逆變電路通過SPWM波進(jìn)行控制，可以將360 V的直流電壓轉(zhuǎn)換成220 V的交流電壓。其驅(qū)動(dòng)波形和輸出波形如圖7所示。

圖7 逆變器驅(qū)動(dòng)與輸出波形

如圖7所示，在空載狀態(tài)下，IGBT的驅(qū)動(dòng)波形良好；當(dāng)負(fù)載滿載時(shí)，在驅(qū)動(dòng)波形上升沿有一個(gè)臺(tái)階和尖峰。這個(gè)尖峰來自 IGBT的米勒效應(yīng)，電路已經(jīng)將其控制在可以接受的范圍內(nèi)，滿載時(shí)的驅(qū)動(dòng)波形工作狀態(tài)良好。而最后逆變器輸出的正弦波形良好，達(dá)到了預(yù)期的要求。

4 總結(jié)

本文對(duì)單相 EPS進(jìn)行了設(shè)計(jì)，確定了EPS逆變器主電路的拓?fù)?，?Boost-逆變兩級(jí)電路。這種電路結(jié)構(gòu)可以克服常規(guī)單級(jí)逆變電路需要的電池?cái)?shù)量太多，不宜維護(hù)的缺點(diǎn)，比較適合中小功率的 EPS系統(tǒng)使用。并且對(duì)電路設(shè)計(jì)過程中主要元器件的選型和參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)說明。最終實(shí)現(xiàn)了 3.6 kW 的逆變器的制作和調(diào)試，測(cè)試效果良好。

[1]吳雷.在線監(jiān)測(cè)式 EPS應(yīng)急電源系統(tǒng)的研制[D].上海：上海交通大學(xué)，2006：2.

[2]易龍強(qiáng).數(shù)字化UPS/EPS系統(tǒng)控制關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2006：5-12.

[3]賈昊，張春光，樊麗萍.基于 DSP2812的電源可靠性的硬件設(shè)計(jì)[J].通信電源技術(shù)，2005，22(5)：41-44.

[4]劉鳳君.現(xiàn)代高頻開關(guān)電源技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[5]張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[6]曲振江，左樹萍，付媛媛.RDC緩沖電路的技術(shù)分析[J].高電壓技術(shù)，2007(5)：176-179.

[7]袁莉，張利欽，史源平，等.DSP TMS320F2812在逆變電源中的應(yīng)用[J].北華航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，24(5)：12-15.

[8]JUNG S L，TZOU Y Y.Discrete sliding-mode control of a PWM inverter for sinusoidal output waveform synthesis with optimal sliding curve[J].IEEE Trans on Power Electronics.1996(11)：567-577.

[9]YU T Y，HSUN H L.SHYANG O R.Fuzzy control of a closed-loop regulated PWM inverter under large load variations[C].Industrial Electronics，Control，and Instrumentation，1993.Proceedings of the IECON′93.international Conference.15-19 Nov.1993：267-272.

Development of single phase EPS based on DSP2812

Yang Jun，Li Xiaoning，Li Junlong，Zhang Wenrui
(University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China)

The emergency power supply is an independent device providing temporary power to customers when the grid power supply is abnormal.In order to overcome the disadvantages of the conventional single stage inverter circuit,which is too much for the battery to be maintained,the Boost-inverter two stage circuit is adopted in this paper,and design a 3.6 kW single-phase emergency power supply based on the DSP2812.It mainly studies the selection method of the parameters of the main components and the control method of the inverter system.Finally,the test and analysis are carried out to prove the feasibility of the system.

emergency lighting power supply；inverter system；DSP

TP29

：ADOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.06.037

楊軍，李曉寧，李均龍，等.基于 DSP2812的單相 EPS的研制[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(6)：136-138.

英文引用格式：Yang Jun，Li Xiaoning，Li Junlong，et al.Development of single phase EPS based on DSP2812[J].Application of Electronic Technique，2016，42(6)：136-138.

2015-12-07)

楊軍（1971-），男，碩士，工程師，主要研究方向：電氣及電力系統(tǒng)。

李曉寧（1972-），男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向：電機(jī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、電機(jī)智能控制、非接觸性電能傳輸。

李均龍（1988-），通信作者，男，碩士，主要研究方向：磁諧振耦合無線輸電，E-mail：413193430@qq.com。