20112012德州儀器C2000及MCU創(chuàng)新設(shè)計大賽項目報告題目中小功率投切無沖擊UPS學(xué)校西安理工大學(xué)應(yīng)用類別先進(jìn)控制類平臺TMS320F28027題目中小功率投切無沖擊UPS摘要（中英文）概述項目內(nèi)容，簡單介紹所實現(xiàn)的系統(tǒng)100150字左右本設(shè)計用于市電突然中斷時，負(fù)載在一段時間內(nèi)的正常運(yùn)行。整體設(shè)計采用“交直交”形式，直流電由市電整流或者蓄電池升壓得到，再經(jīng)過升壓和逆變送出。投切過程利用兩種直流供電方式上的電壓差，用二極管實現(xiàn)，投切過程不會產(chǎn)生任何的相位差和瞬時斷電現(xiàn)象，且不需要軟件和檢測電路參與，可靠性高，并且，交流側(cè)電壓波動小，無沖擊。THEDESIGNFORTHENORMALOPERATIONOFLOADINAPERIODOFTIMEWHENTHEELECTRICITYSUDDENLYINTERRUPTEDTHEWHOLEDESIGNUSED“ACDCAC“FORMTHEDIRECTCURRENTCANBEOBTAINEDBYTHEELECTRICITYAFTERTHERECTIFIERORTHEBATTERYVOLTAGEAFTERBOOSTINGANDTHENSENTOUTAFTERBOOSTINGANDINVERTERTHECUTTINGPROCESSCANBEREALIZEDBYDIODEUSINGVOLTAGEDIFFERENCESBETWEENTHETWODCPOWERSUPPLYMODESTHECUTTINGPROCESSWILLNOTPRODUCEANYPHENOMENONOFPHASEDIFFERENCESANDTHEINSTANTANEOUSPOWEROUTAGESANDWILLNOTNEEDTHEINVOLVEMENTOFSOFTWAREANDDETECTIONCIRCUITTHECUTTINGPROCESSHASHIGHLYRELIABILITY,LOWERFLUCTUATIONOFTHEACVOLTAGEANDSURGEFREE1引言簡述系統(tǒng)設(shè)計的背景、目的、和所要解決的問題。11研究背景隨著微電子與信息技術(shù)的發(fā)展，個人計算機(jī)、多媒體、互聯(lián)網(wǎng)、通信系統(tǒng)以及工業(yè)自動化等各種應(yīng)用正快速地滲入社會的各個層面。為了確保信息的安全與計算機(jī)系統(tǒng)、自動化流水線以及通信系統(tǒng)的正常運(yùn)行，對電源品質(zhì)的要求也越來越苛刻。并且一些重要的用電部門，如銀行、航空、軍事這些行業(yè)對供電的安全和質(zhì)量的要求也越來越高，在這些部門，電源供應(yīng)的短暫中斷都可能造成設(shè)備或人員的重大損失，給國民經(jīng)濟(jì)和人民的生產(chǎn)生活造成不堪設(shè)想的嚴(yán)重后果。而在某種程度上全世界又均面臨著電力供需不足或不穩(wěn)定的威脅，公共電網(wǎng)已經(jīng)無法滿足這些行業(yè)對高品質(zhì)電源的需求。12研究UPS的目的未經(jīng)保護(hù)的電源系統(tǒng)可能造成三大危害第一，對硬件方面造成損害；第二，引起數(shù)據(jù)丟失；第三，引起非正常的業(yè)務(wù)中斷。這三大危害是進(jìn)行電源保護(hù)的基本原因，UPS恰恰能解決電源系統(tǒng)的上述危害。歸納起來，UPS具有如下特點(diǎn)1在市電中斷的情況下，能利用自身所帶的蓄電池通過逆變電路將直流電轉(zhuǎn)換為交流電給計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)供電，保證計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。2對市電有穩(wěn)壓作用，能在電網(wǎng)電壓波動時穩(wěn)定電壓。3能抑制電網(wǎng)的電力諧波干擾、電壓瞬間跌落、高壓浪涌、電壓波形畸變、電磁干擾等電力污染，為計算機(jī)及其他設(shè)備提供電壓穩(wěn)定、波形純正的電力供給，保證計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的正常工作和數(shù)據(jù)不受干擾。13本文的主要研究內(nèi)容本文重點(diǎn)研究UPS主電路中蓄電池投切時的實現(xiàn)方法和蓄電池升壓電路的實現(xiàn)。主要研究內(nèi)容如下1）介紹了UPS系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)框圖，分析了各個部分的功能，并對其中重要的環(huán)節(jié)蓄電池的投切和升壓電路做詳細(xì)分析。2）仿真研究。利用PSIM仿真軟件搭建起系統(tǒng)的仿真模型，并對蓄電池的投切和蓄電池升壓電路給出仿真結(jié)果。通過結(jié)果說明該方法正確性。3）硬件實驗。以TMS320F28027DSP為控制芯片，搭建硬件實驗平臺，給出了實驗結(jié)果和結(jié)論。2系統(tǒng)方案詳細(xì)說明系統(tǒng)設(shè)計的整體思路，用模塊的形式指出系統(tǒng)設(shè)計的各個關(guān)鍵點(diǎn)，并指出其中使用的關(guān)鍵算法當(dāng)市電正常時，蓄電池不給逆變器提供能量，通過硬件關(guān)斷此通道；通過一級BOOST升壓電路，逆變器輸出正弦波經(jīng)濾波器濾波后供給負(fù)載。當(dāng)市電出現(xiàn)故障時或市電的電能質(zhì)量在UPS要求的范圍之外時，整流橋停止工作，蓄電池輸出電壓經(jīng)過兩級BOOST升壓電路將電壓抬升至略低于單級BOOST輸出電壓，經(jīng)逆變器開始給負(fù)載提供能量。當(dāng)輸出短路或蓄電池的電壓低于允許值時，UPS停止工作，以防止損壞逆變器或者蓄電池。當(dāng)輸出過載時，如果過載是瞬時的，則可以通過控制允許這種情況出現(xiàn)，如果過載時間比較長，則就需要通過轉(zhuǎn)換開關(guān)由UPS轉(zhuǎn)到市電給負(fù)載供電。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。整流模塊逆變模塊蓄電池市電輸入輸出電壓220VBOOST升壓模塊BOOST升壓模塊圖1UPS不間斷電源結(jié)構(gòu)框圖根據(jù)大賽要求，整個UPS電源系統(tǒng)大致分為以下四部分AC/DC部分輸入單相市電電源，采用單相全橋不可控整流，經(jīng)電解電容得到比較平穩(wěn)的直流電；DC/DC部分含有兩路DC/DC，第一路采用BOOST電路，將整流得到的直流電壓提升到較高的直流電，從而使得逆變輸出得到220V/50HZ單相交流電；第二路采用兩個BOOST電路級聯(lián)，將蓄電池輸出電壓提升到較高直流電，從而使得逆變輸出得到220V/50HZ單相交流電；DC/AC部分采用SPWM逆變，直接將直流電逆變成交流電，經(jīng)濾波裝置濾除逆變后的高頻分量以后，實現(xiàn)給負(fù)載供電；控制器部分完成各部分開關(guān)管的控制，PWM輸出的功能。3系統(tǒng)硬件設(shè)計詳細(xì)介紹系統(tǒng)各個模塊的硬件實現(xiàn)過程，說明采用關(guān)鍵器件的理由及關(guān)鍵部分的原理圖（不得大量復(fù)制原理圖，更多用框圖的方式示意，僅對能體現(xiàn)工作量和創(chuàng)新的部分提供原理圖，評委有權(quán)對濫用原理圖的論文扣分）31整機(jī)框架電源輸入為220V單相交流電；整流部分選擇結(jié)構(gòu)簡單、功率因數(shù)高的二極管橋式整流；逆變部分基于系統(tǒng)容量，開關(guān)頻率高低，驅(qū)動電路難易等因素的綜合考慮，選擇MOSFET作為逆變橋開關(guān)器件。整流輸出的電壓僅280V，經(jīng)逆變后不能達(dá)到220V交流電，所以經(jīng)單級BOOST電路抬升至300V。蓄電池輸出電壓只有12V，所以采用兩級BOOST串聯(lián)電路將電壓抬升至270V，經(jīng)逆變輸出為220V交流電。主電路拓?fù)淙鐖D2所示。圖中，C1、C2、C3為大電容，起到濾波和穩(wěn)壓的作用。輸出C3蓄電池輸入C1C2L1L2D1D2圖2主電路拓?fù)湎到y(tǒng)采用單相全橋不可控整流和單橋全橋逆變，DC/DC實現(xiàn)升壓，這樣可降低控制的復(fù)雜程度。AC/DC采用不可控整流，將單相市電整流為直流電。DC/DC采用兩路BOOST電路完成升壓，分別將整流輸出電壓和蓄電池輸出電壓提升到較高直流電，使得后級逆變輸出為220V/50HZ單相交流電。DC/AC部分采用單相逆變?nèi)珮?，作用是將直流電轉(zhuǎn)換成220V/50HZ正弦交流電，實現(xiàn)逆變向負(fù)載供電。32參數(shù)設(shè)計1）整流輸出BOOST電路參數(shù)設(shè)計圖3為整流輸出BOOST變換器的電路結(jié)構(gòu)。圖3整流輸出BOOST變換器的電路結(jié)構(gòu)整流輸出BOOST變換器的輸入為市電的單相不可控整流輸出，取值V1280V，輸出電壓VO300V，則依據(jù)公式241KUI（1）計算出D0075，則由公式OSOVFIC11（2）OSOVFDVL2121（3）可知C1400F，L111MH。實際選取C1470F，L162MH。2）蓄電池BOOST電路參數(shù)設(shè)計圖4為蓄電池BOOST變換器的電路結(jié)構(gòu)。圖4蓄電池BOOST變換器的電路結(jié)構(gòu)蓄電池BOOST變換器的輸入電壓為兩節(jié)蓄電池的串聯(lián)輸出電壓，取值V236V，蓄電池BOOST升壓輸出電壓VO270V。蓄電池BOOST的電感電流為連續(xù)，故依據(jù)公式D12（4）可以計算出第二級BOOST的升壓占空比D20867。再依據(jù)公式（2）、（3）可得C2120F，L208MH。實際選取C2470F，L262MH。3）DC/DC電路中的開關(guān)管吸收參數(shù)DC/DC電路中的開關(guān)管均采用RCD濾波，取C01F、R15K（1/2W），D取反向耐壓600V的快恢復(fù)二極管。4）整流電路參數(shù)整流電路采用單相全橋二極管不可控整流，二極管采用反向耐壓600V的碳化硅快恢復(fù)二極管。整流電容選擇選擇400V/2200UF電解電容。5）逆變參數(shù)設(shè)計開關(guān)管吸收參數(shù)取C01F、R6K（6W），二極管D取反向耐壓600V的快恢復(fù)二極管。輸出濾波電感取LF66MH，輸出濾波電容取15UF/63V。33器件選擇1）AC/DC整流二極管選用快恢復(fù)二極管，最大耐壓220122528V，選擇IN5408。2）DC/DC直流變換開關(guān)器件選擇MOSFET，耐壓220122528V，選擇K1119。二極管選選用快恢復(fù)二極管，選擇IDH10SG60C。3）SPWM逆變電路開關(guān)器件選擇MOSFET，耐壓220122528V，過流52A（由于最大功率25W，考慮最小電網(wǎng)電壓220V09198V，因此最大電流約26A，考慮2倍過流水平，則26252A），選擇K1119。3）MOSFET驅(qū)動DC/DC直流變換電路MOSFET的驅(qū)動采用三極管驅(qū)動，三極管選擇C9013，SPWM逆變電路MOSFET的驅(qū)動芯片選擇IR2110。4系統(tǒng)軟件設(shè)計詳細(xì)介紹算法設(shè)計與算法流程圖（不得大量復(fù)制源代碼）41控制器總體設(shè)計方案根據(jù)競賽要求及結(jié)合主電路拓?fù)涮攸c(diǎn)，整個UPS電源系統(tǒng)的控制設(shè)計方案如圖5所示BOOST升壓電路BOOST輸出電壓DC/AC逆變器逆變輸出電壓TMS320F28027DSP控制控制檢測檢測AC/DC整流器蓄電池圖5控制器總體設(shè)計方案框圖DC/DC電路起升壓作用，一部分將整流輸出電壓升高到300V，另一部分將蓄電池輸出電壓升高到270V，使得逆變輸出能夠達(dá)到220V/50HZ，即調(diào)節(jié)DC/DC部分開關(guān)管的占空比來改變DC/DC電路的輸出電壓，使之與要求的輸出電壓相比較，其誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后用于產(chǎn)生PWM驅(qū)動波形。DC/AC逆變部分采用SPWM控制方式，將直流電逆變?yōu)?20V/50HZ交流電。通過檢測逆變輸出電壓，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后用于產(chǎn)生PWM驅(qū)動波形，從而通過改變各開關(guān)管的開通時間來改變逆變輸出，使之滿足逆變輸出。42系統(tǒng)原理圖設(shè)計1）系統(tǒng)主電路根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計思想，可以得到該UPS電源系統(tǒng)的主電路如圖6所示。0UFC72VAIGBT_D34MHLU58OS主電路RMKBOST9NEINE電池電路ARY圖6UPS電源系統(tǒng)的主電路2）逆變電路IGBT驅(qū)動電路采用兩片IR2110芯片，驅(qū)動電路如圖7所示GNDLO1CM2V34S5B6H7I098URUFZE圖7逆變電路MOSFET驅(qū)動電路為PWM脈沖封鎖信號，14、23分別為一個橋臂的上下兩個IGBT的驅(qū)SD動信號。DSP輸出PWM經(jīng)過7407OC門將電平轉(zhuǎn)換到015V，從而滿足IR2110的輸入要求。3）DC/DC變換電路IGBT驅(qū)動電路采用三極管驅(qū)動，三極管選擇C9013，驅(qū)動電路如圖8所示KQINGLE25R1747KR15270R16Q10913GND12VG525R20R1847K270R19Q20913GND12VG6Q507Q607圖8DC/DC變換電路MOSFET驅(qū)動電路SINGLEG5、Q507、G5和SINGLEG6、Q607、G6分別為兩路DC/DC變換電路MOSFET開關(guān)器件的驅(qū)動信號。DSP輸出PWM經(jīng)過7407OC門將電平轉(zhuǎn)換到015V，從而滿足三極管C9013的輸入要求。43控制算法PID控制算法編程簡單，易于實現(xiàn)，工程應(yīng)用較多，技術(shù)成熟，一般都能取得較好的控制效果。本方案選擇應(yīng)用成熟的PID控制作為輸出控制環(huán)節(jié)的算法。1）DC/DC變換電路根據(jù)主電路的設(shè)計方案，DC/DC有兩部分BOOST變換，一部分為蓄電池單級BOOST變換，另一部分為輸出升壓單級BOOST變換。對蓄電池單級BOOST的開關(guān)管和輸出升壓BOOST變換的開關(guān)管采用電壓單閉環(huán)控制和經(jīng)典的PI控制算法。PI比較器三角波DC/DC變換濾波UREF輸出圖9DC/DC控制框圖2）逆變部分根據(jù)直流環(huán)節(jié)的不同，可分為電壓源型逆變和電流源型逆變。電壓源型逆變器屬于恒壓源，電壓控制響應(yīng)慢，不易波動。電流型逆變器屬于恒流源，電壓控制響應(yīng)慢且易波動。因UPS不間斷是一種含有儲能裝置，以逆變器為主要元件，穩(wěn)壓穩(wěn)頻輸出的電源保護(hù)設(shè)備，所以逆變器部分采用電壓源型全橋逆變電路，控制采用經(jīng)典的單極性SPWM技術(shù)，使得輸出電壓為220V/50HZ的交流電，采用電壓單閉環(huán)控制和經(jīng)典的PI控制算法。PI比較器三角波逆變橋濾波UREF負(fù)荷圖10DC/AC控制框圖44程序流程系統(tǒng)主程序主要完成DSP資源的初始化和等待中斷。中斷子程序是整個軟件的核心部分，主要完成系統(tǒng)核心算法，如PID算法等。為了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)的主要流程圖如下所示讀取A/D端口數(shù)值A(chǔ)/D中斷子程序結(jié)束A/D中斷子程序開始開始系統(tǒng)初始化等待中斷觸發(fā)A/D中斷子程序結(jié)束中斷子程序開始PI算法（積分分離）更新PWM信號占空比觸發(fā)A/D圖11主程序流程圖圖12A/D中斷子程序流程圖圖13中斷子程序流程圖45控制資源要求DC/DC直流變換部分1）BOOST升壓輸出電壓檢測。（二路AD）2）DC/DC電路開關(guān)管的通斷控制。（二路PWM）DC/AC逆變部分1）全橋電路開關(guān)管的通斷控制。（二路SPWM）2）逆變輸出電壓檢測。（一路AD）所需資源匯總資源ADPWM數(shù)量3446系統(tǒng)資源分配本次設(shè)計中UPS數(shù)字系統(tǒng)的資源配置表，如表1所示。表1UPS數(shù)字系統(tǒng)資源配置表TMS320F28027DSP資源配置用途說明ADCINA4P5BOOST輸出電壓采樣ADCINA2P9BOOST輸出電壓采樣數(shù)模轉(zhuǎn)換（ADC）ADCINA3P7逆變輸出電壓采樣定時器TIMEBASEMODULEPWM周期定時（10K），產(chǎn)生PWM周期匹配中斷，用于產(chǎn)生逆變橋、兩路BOOST的前級驅(qū)動信號以及啟動閉環(huán)控制子程序。GPIO0/EPWM1AP29逆變橋驅(qū)動信號1GPIO1/EPWM1BP28逆變橋驅(qū)動信號2GPIO2/EPWM2AP37BOOST驅(qū)動信號PWM輸出GPIO4/EPWM3AP39BOOST驅(qū)動信號5系統(tǒng)創(chuàng)新總結(jié)系統(tǒng)設(shè)計的創(chuàng)新之處本次設(shè)計的UPS采用的方案不用檢測交流輸出電壓相位便可以實現(xiàn)對負(fù)載的無相位差、不間斷供電。方案中采用的兩路BOOST升壓電路可以避免使用變壓器，減少了裝置體積。6評測與結(jié)論系統(tǒng)測試方法和達(dá)到的指標(biāo)61市電對負(fù)載供電時的實驗波形將市電經(jīng)過整流濾波后，通過BOOST電路，將整流輸出電壓抬升至更高的電壓，經(jīng)過逆變器進(jìn)行逆變，得到220V/5