基于DSP的高频全数字UPS逆变模块设计

项目编号：福州大学本科生科研训练计划（SRTP）申请表项目名称：基于DSP的全数字高频UPS逆变模块设计申请者：胡锦洪所在院系：电气工程与自动化学院指导教师：蔡逢煌联系电话：[phone]电子信箱：[e-mail]申请日期：2006.12.1福州大学教务处制简况项目名称基于DSP的全数字高频UPS逆变模块设计来源√A自选B导师类型A理科√B工科C管理D人文E法学F管理G其他起止年限2006年12月—2007年12月申请金额0.15万元项目负责人姓名胡锦洪性别√A.男B.女出生年月1986.4所在院系电气学院专业电气工程与自动化年级2004指导教师姓名蔡逢煌性别√A.男B.女出生年月1976.2所在院系电气学院职称讲师学位硕士项目组主要成员姓名性别出生年月所在学院专业项目中的分工签字胡锦洪男1986.4电气工程与自动化学院电气工程与自动化总体方案设计林正盛男1986.7电气工程与自动化学院电气工程与自动化算法设计王列虎男1984.10电气工程与自动化学院电气工程与自动化软件设计江俊毅男1985.7电气工程与自动化学院电气工程与自动化硬件设计周岚男1984.10电气工程与自动化学院电气工程与自动化软件设计摘要（一七0字）研究主要内容及意义不间断电源是能提供一个安全、无中断的电力能源。它的发展趋势是绿色化、模块化、智能化和高频化。逆变模块是UPS的一个重要组成部分。本项目以DSP为控制核心，设计全数字高频UPS的逆变模块。研究逆变模块高频控制的硬件电路，并利用Protus软件进行仿真；逆变的控制算法采用重复型PID控制，并利用Matlab软件进行仿真。把以上研究成果在UPS实验平台上进行验证。由于我国自主研制的UPS的性能相对落后，特别是在高端产品上，所以实现技术自主的UPS的DSP化，具有重要的意义。一、立项的依据和意义（包括项目的研究意义、国内外研究现状分析，特色与创新之处并附主要参考文献及出处）随着计算机应用的普及和信息处理技术的不断发展，实时控制系统、数据通信处理系统、精密测量系统等对供电提出了越来越严格的要求，为此孕育产生了不间断电源系统(UninterruptiblePowerSystem，UPS)。所谓不间断电源就是能提供一个安全、无中断的电力能源。当电网出现干扰、中断时，它仍能保证输出一个连续性的交流电源，从而保障了设备的安全，使其在电网出现故障时能够继续工作。UPS技术发展到今天,其应用领域已经非常广泛,用户对其要求也越来越高.UPS产品的高性能、高效率、小型轻量化和智能监控自我管理也越来越成为各类不停电电源追求的目标。传统的工频UPS,其结构存在诸多的缺点:AC/DC变换以不控整流或者晶闸管相控整流为主，输入功率因数较低，不满足大功率电源绿色化的要求。必须配备输出工频变压器，体积重量大，较为笨重；电池直接挂接在直流母线上，母线的稳压和电池充电只能兼顾其一，限制了电池的配备，也不能对电池进行精确的充电控制。随着高频技术和器件的发展，UPS中直流部分引入高频技术，去掉了笨重的输出变压器，使得整个装置变得轻巧。同时，采用高档微处理器和数字信号处理器的数字化控制，系统集成度高，且具有很强的数据、逻辑运算能力，可以实现一些复杂的先进算法和智能算法，能解决模拟控制电路中因大量的分立元件和电路板使得制造成本高、电路复杂、参数易漂移、元件老化、系统的调试、故障检测困难等不足。数字技术的优势还在于具有良好的自我诊断功能，能迅速地排除故障，大幅度地减少零件的数量而提高其可靠性。当前，微处理器已经普遍应用于UPS的控制，但主要是在一些局部功能上使用微处理器。并不能说是真正意义上的数字化。另外一些处理器受数据处理速度的限制，使得UPS的全数字化和一些先进的控制策略不能实现。随着高性能DSP的出现，处理器的数据处理能力大大提高，这些都可以逐步实现了。传统的DC/AC控制不是真正意义上的数字控制，而是数字控制与模拟控制的混合。也既微处理器输出PWM，该PWM经过滤波后形成基准正弦波，该正弦波与硬件产生的固定频率的三角载波进行调制形成驱动IGBT的PWM脉冲信号。通过改变微控制器PWM的输出周期改变基准正弦波频率，则可改变逆变输出交流电压基波的频率；通过改变微控制器PWM的占空比改变基准正弦波的幅值，则可改变逆变输出交流电压的大小。本项目所研究的DC/AC控制是真正意义上的数字控制。逆变器的驱动信号由DSP直接进行控制，而没有经过二次调制。波形控制全部由软件实现，也既通过改变PWM的周期和占空比改变逆变输出的频率和幅值大小。由于逆变输出波形的重复性质，所有采样重复PID控制算法。将DSP应用于UPS，已经有UPS厂家开始研究了，但所采用的逆变控制策略是比较简单的。随着DSP性能的不断提高，市场对UPS性能、成本及体积等要求更加苛刻。UPS的DSP化已经成为UPS数字化最有效的载体。目前很多国外厂家都在研制数字型的智能化UPS产品，但各公司的技术都是相互屏蔽的。我国自主研发的UPS的性能相对落后，特别是在高端产品上，所以实现技术自主的UPS的DSP化，具有重要的意义。参考文献[1]陈坚.电力电子学---电力电子变换和控制技术.高等教育出版社,2004,第二版.[2]徐德鸿.电力电子系统建模及控制.北京:机械工业出版社,2005.[3]张凯.基于重复控制原理的CVCF-PWM逆变器波形控制技术研究.[博士学位论文].武汉:华中科技大学图书馆,2000.[4]张友军.SPWM高频航空逆变器控制系统及其实现.自动化仪表,2005,26(8):35-37.[5]刘琨,陈允平,吴波.DSP在逆变器PWM控制中的应用.电气应用,2006,25(3):98-101.[6]Se-KyoChung.Aphasetrackingsystemforthreephaseutilityinterfaceinverters[J].IEEETrans.onPowerElectron,2000,15(3):431-438.[7]马学军，陈息坤，康勇.一种新的基于DSP的高精度UPS锁相技术,电工电能新技术，2005,24(4):59-62.[8]肖强晖,瞿遂春.一种UPS电源同步锁相控制技术,电机与控制学报,2005,9(3):254-256.[9]罗玛,杨成林,徐德鸿.基于DSP的逆变器数字锁相技术,电力电子技术,2005,39(5)：107-108.[10]张振宇,夏超英,赵栋利.基于DSP的在线式UPS锁相环设计,仪器仪表学报,2002,22(3):374-375.[11]Internet网络资源二、研究目标、研究内容和拟解决的关键问题研究目标：基于DSP的全数字高频UPS逆变模块的硬件设计与控制软件开发研究内容：（1）采用TMS320LF2407ADSP芯片，设计高频UPS的硬件电路，包括DSP控制主电路,外围的采样电路和驱动电路。（2）基于以上逆变模块研究UPS逆变模块的控制算法,包括锁相控制和波形控制。基于C语言编写控制软件,并进行仿真调试,最后在实验平台上进行联机测试。拟解决的关键问题：（1）逆变驱动硬件电路的设计（2）高频逆变控制算法的设计三、预期的研究成果、成果的提供形式（论文、设计、产品、软件开发、专利、研究或调研报告等）、应用前景和效益分析预期的研究成果：设计一套基于DSP的UPS逆变模块实验平台。成果的提供形式：软件开发和研究报告。应用前景和效益分析：将DSP应用于UPS,已经有UPS厂家开始研究了,但所采用的逆变控制策略是比较简单的.随着DSP性能的不断提高,市场对UPS性能、成本及体积等要求更加苛刻.UPS的DSP化已经成为UPS数字化最有效的载体.目前很多国外厂家都在研制数字型的智能化UPS产品,但各公司的技术都是相互屏蔽的.我国自主研发的UPS的性能相对落后,特别是在高端产品上,所以实现技术自主的UPS的DSP化,具有重要的意义.四、拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析本项目拟采用TMS320LF2407ADSP作为UPS逆变模块的硬件核心，并基于该控制核心设计逆变输出波形采样电路，波形过零点捕获电路，PWM驱动信号隔离放大电路以及其他的附加电路，并利用Proteus软件进行硬件仿真。为了节省经费和开发时间，逆变主电路采用导师所在实验室已有的UPS实验平台进行改造。控制算法采用自动控制理论学习过的PID控制算法，并结合波形控制的特点引入重复控制的思想，构造重复学习PID控制器，并利用Matlab软件进行仿真验证。五、研究工作进度安排本项目的工作进度安排如下：1)熟悉TMS320LF2407ADSP芯片的硬件设计和软件设计（2007.1-2007.2）；2)熟悉UPS的工作原理，主要掌握逆变部分的特点和要求（2007.2-2007.5）；3)逆变模块的硬件设计和测试（2007.5-2007.8）；4)逆变模块的软件设计和测试（2007.8-2007.10）；5)整机调试（2007.10-2007.11）；6)项目总结和研究报告的撰写。（2007.11-2007.12）六、实现本项目最终目标已具备的条件（包括过去的研究工作基础，研究人员及协作条件，实验条件）本课题组成员系统学习了《微型计算机原理》、《电力电子技术》、《模拟电子技术》和《数字电子技术》等课程。对微型机的硬件资源和指令系统比较熟悉，熟悉汇编语言编程和高级语言C的编程；熟悉电力电子的硬件原理和控制思想。而且将选修《MCS51单片机》和《DSP技术》这两门课程，这些课程的学习将对成员完成项目提供很好的基础。导师实验室已经有UPS的主电路实验平台，这将减少项目开发的难度，而且项目组成员每人都拥有自己的计算机，为完成本项目打下了基础。七、申请项目经费预算表预算支出科目金额(万元)计算根据及理由购买DSP仿真器0.06购买DSP仿真器DSP芯片0.02购买DSP芯片购买电子元器件0.03购买电阻电容，光藕等印刷板加工费0.03印刷板加工费交通费0.01外购物品或外出调研交通费合计0.1500八、指导教师意见本项目研究基于DSP的高频数字UPS的硬件设计和软件设计。项目有一定的创新性和实用价值。研究目标明确，技术路线和实验方案可行，工作进度安排合理。项目组成员已基本具备完成本项目的相关理论基础。同意给予指导。签名：年月日九、学院SRTP领导小组意见：组长（签名）：学院盖章：年月日十、学校SRTP领导小组意见：批准资助金额：负责人（签名）：教务处盖章年月日