基于DSP的UPS数字化控制技术研究
摘要
数字化控制用软件取代了模拟和数字器件，提高了产品的集成度，增强了系统的柔性和智能性。因此，数字化控制已成为UPS的发展趋势之一。
本文介绍了一种基于DSP的单相双变换式UPS的数字化控制技术，提出了一套融合软硬件的数字化控制方案。系统硬件主要包括PWM信号的隔离和驱动，控制信号的采集和处理，以及硬件保护电路。系统软件实现了UPS的各个功能模块，首先设计了软件锁相环；然后实现了输出电压瞬时值和有效值双闭环反馈控制；并且在深入分析基本数字PI算法所引起的输出变压器动态偏磁问题的基础上，提出了一种改进算法，实时消除了变压器的偏磁。
另外，研究了UPS过载等故障的监测和保护；按输出功率分级控制风机转速；电池电压的隔离采样和管理等监控功能，提高了系统的可靠性和智能化。
大量的分析、仿真和实验证明了本系统的可行性和先进性，本文的研究内容和结果为UPS的数字化控制的进一步研究、完善和应用建立了基础。
Digital control,in which software replaces analog and digital instruments,can increase the integration of the product;promote the flexibility and intelligence of the system. Therefore,the digital control tends to be one of the promising methods in the UPS control technology.
This article introduces a kind of digital control technology based on DSP,named single-phase double conversion UPS,and put forward a digital control project the software and hardware. The main hardware of the system includes isolating and driving of the PWM signal,sampling and processing of the signals of control,as well as hardware protection circuit. The system software can realize each functional module in the UPS. Firstly,design the software phase-closed loops;secondly,realize the double closed loops control of the instantaneous value and the virtual value. Furthermore,the dynamic flux imbalance of the output transformer caused by ordinary PI arithmetic is analyzed in detail. A new solution for flux balance by sampling the instantaneous primary current of the output transformer and introducing the on-line calculated bias current component into the voltage regulation arithmetic is presented.
The dissertation,in addition,discusses the malfunction monitoring and protecting,such as overload. The discussions on the speed control of fan according to the output power,and some monitoring functions,such as the isolation sample of battery's voltage and its management,which will improve the reliability and intelligence of the system,are also included in the dissertation.
A great lot of analysis,simulations and experiments have verified the system's feasibility and advantage. The research in the dissertation,to some extent,has paved a way for the further research,improvement and application in the digital control of UPS.
本文介绍了一种基于DSP的单相双变换式UPS的数字化控制技术，提出了一套融合软硬件的数字化控制方案。系统硬件主要包括PWM信号的隔离和驱动，控制信号的采集和处理，以及硬件保护电路。系统软件实现了UPS的各个功能模块，首先设计了软件锁相环；然后实现了输出电压瞬时值和有效值双闭环反馈控制；并且在深入分析基本数字PI算法所引起的输出变压器动态偏磁问题的基础上，提出了一种改进算法，实时消除了变压器的偏磁。
另外，研究了UPS过载等故障的监测和保护；按输出功率分级控制风机转速；电池电压的隔离采样和管理等监控功能，提高了系统的可靠性和智能化。
大量的分析、仿真和实验证明了本系统的可行性和先进性，本文的研究内容和结果为UPS的数字化控制的进一步研究、完善和应用建立了基础。
Digital control,in which software replaces analog and digital instruments,can increase the integration of the product;promote the flexibility and intelligence of the system. Therefore,the digital control tends to be one of the promising methods in the UPS control technology.
This article introduces a kind of digital control technology based on DSP,named single-phase double conversion UPS,and put forward a digital control project the software and hardware. The main hardware of the system includes isolating and driving of the PWM signal,sampling and processing of the signals of control,as well as hardware protection circuit. The system software can realize each functional module in the UPS. Firstly,design the software phase-closed loops;secondly,realize the double closed loops control of the instantaneous value and the virtual value. Furthermore,the dynamic flux imbalance of the output transformer caused by ordinary PI arithmetic is analyzed in detail. A new solution for flux balance by sampling the instantaneous primary current of the output transformer and introducing the on-line calculated bias current component into the voltage regulation arithmetic is presented.
The dissertation,in addition,discusses the malfunction monitoring and protecting,such as overload. The discussions on the speed control of fan according to the output power,and some monitoring functions,such as the isolation sample of battery's voltage and its management,which will improve the reliability and intelligence of the system,are also included in the dissertation.
A great lot of analysis,simulations and experiments have verified the system's feasibility and advantage. The research in the dissertation,to some extent,has paved a way for the further research,improvement and application in the digital control of UPS.
引文
[1] 高军，黎辉，杨旭，王兆安，UPS逆变器数字化控制技术，电工技术杂志，2001年第12期，pp6-9
[2] 谢力华，苏彦民，正弦波逆变电源的数字控制技术，电力电子技术，2001年第6期，pp52-55
[3] Jian Chen, Shanxu Duan, Xinchun Lin, Xuejun Pei, Yong Kang. Analysis and design of the DSP-based fully digital-controlled UPS. Power Electronics and Drive Systems, 2001 Proceedings, 2001 4th IEEE International Conference, Oct 2001, Vol. 1, 22-25 Oct 2001, pp296-300
[4] 陈静，何湘宁，智能UPS的研究和发展，中国电力，2002年第3期，pp77-80
[5] 刘红玲，詹耀东，UPS电源技术发展动态，电源世界，2000年第2期，pp8-11
[6] 钱照明，吴红缨，不间断电源UPS的新技术，电工技术学报，1999(增刊)，pp40-44
[7] 蔡宣三，钱照明，王正元，电力电子学的发展战略调查研究报告，电工技术学报，1999(增刊)，pp1-21
[8] 陶永华，尹怡欣，葛芦生，新型PID控制及其应用，机械工业出版社，1998．9
[9] 高军，黎辉，杨旭，王兆安，基于PID控制和重复控制的正弦波逆变电源研究，电工电能新技术，2002年第1期，pp1-4
[10] Tzou Ying-Yu, et al. Adaptive Repetitive Control of PWM Inverters for Very Low THD AC-Voltage Regulation with Unknown Loads. IEEE Trans.on Power Electronics, 1999,14(5), pp971-981
[11] 郭卫农，段善旭，康勇，陈坚，电压型逆变器的无差拍控制技术研究，华中理工大学学报，2000年第6期
[12] Atsuo Kawamura, et al. Deadbeat Control of PWM Inverter with Modified Pulse Patterns for Uninterruptible Power Supply. IEEE Trans.on Power Electronics, 1996,11(4),pp567-576
[13] Chihchiang Hua. Two-Level switching pattern deadbeat DSP controlled PWM inverter. IEEE Trans.on Power Electronics, 1997,10(3), pp310-317
[14] 于盛林，刘文波，冯绍红，模糊控制技术及应用，南京航空航天大学，1998．1
[15] Tzou Ying-Yu, et al. Fuzzy Control of a Closed-Loop Regulated PWM Inverter under Large Load Variation. IEEE-IECON' 93, 1993(1), pp267-272
[16] 沈忠亭，严仰光，神经网络在逆变器控制中的应用(英文)，Transactions of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics，2002年第1期
[17] 王晓秋，几种常见UPS的优缺点，电源世界，2000年第5期
[18] 王其英，何春华，当代UPS综述，电源世界，2000年第2期
[19] 侯振义，王义明，在线式UPS的原理分析，第六届西北地区电源技术学术年会论文集，pp4-5
[20] 钱希森，小型UPS原理及应用，科学出版社，2000．9
[21] 李成章，现代UPS电源及电路图集，电子工业出版社，2001．4
[22] TMS320C240/F240数字信号处理数据手册(1-4)，武汉力源电子股份有限公司，1998．6
[23] 张雄伟，曹铁勇，DSP芯片的原理与开发应用，电子工业出版社，2000．9
[24] 肖化，智能化交流不间断电源UPS设计，电子技术应用，1997年第2期
[25] 林新春，段善旭，康勇，陈坚，基于DSP的UPS全数字化控制系统，电力电子技术，2001年第2期，pp51-53
[26] 王大庆，基于DSP的在线式UPS数字化控制技术研究，硕士学位论文，南京航空航天大学，2002．2
[27] 谢力华，逆变电源的数字控制技术及其并联控制策略的研究，博士学位论文，西安交通大学，2001．11
[28] 程远楚，离散PID算法的分析与改进，测控技术，1997年第1期，pp9-11
[29] Han-Ju Cha, Sin-Sup Kim, Min-Gu Kang and Yong-Ho Chung. Real-time Digital Control of PWM Inverter With PI compensator for Uninterruptible Power Supply. Proceeding of 1990 PESC
[30] Jun Gao, Xianghua Zhao, Yang Xu, Zhaoan Wang. The Research on Avoiding Flux Imbalance in Sinusoidal Wave Inverter. IPEMC 2000 Vol.3, pp1122-1126
[31] 李宏，周继华，李治典，全桥逆变电路抗偏磁应用研究，电力电子技术，1998年第3期，pp61-63
[32] 李剑，康勇，陈坚，DSP控制SPWM全桥逆变器直流偏磁的研究，电源技术应用，2002年第5期
[33] Li Hong, The study of avoiding magnetic flux imbalance in full-bridge inverter. Power Electronics, Mar 1998, Vol.32, No.3, pp61-63
[34] 林征宇，吴建德，何湘宁，基于DSP带同步锁相的逆变器控制，电力电子技术，2001年第2期，pp24-25
[35] Vikram Kaura, Vladimir Blasko. Operation of a Phase Locked Loop System Under Distored Utility Conditions. IEEE Trans. On IA, Jan 1997, Vol.33, No. 1, pp58-63
[36] Michael J. Ryan, William E. Brumsickle, and Robert D. Lorenz. Control Topology Options for Single-Phase UPS Invertors. IEEE Trans. On IA, Vol.33, No.2, pp493-501
[37] N.M.Abdel-Rahim and J.E.Quaicoe. Analysis and design of a multiple feedback loop control strategy for single-phase voltage-source UPS inverters. IEEE Trans. Power Electron, July 1996, vol.1, NO.11, pp532-541
[38] J.Dixon, S.Tepper, L.Moran. Practical Evaluation of Different Modulation Techniques for Current-Controlled Voltage Source Inverter. IEE Proc.-Electr. Power Appl, July 1996, Vol. 143, No.4
[39] 顾正平，8098单片机直流电机调试系统，微型机与应用，1998年第3期
[40] 谢洪友，吕恬生，基于数字信号处理器的直流电机控制系统，机电工程，2002
年第2期
[41] 李成章，UPS的电池管理功能，电源世界，2000年第7期
[42] 王朔，小功率UPS的电池智能管理研究，沈阳工业大学学报，2001年第11期
[43] 李江华，谢红，用I/O口实现电池电压线性检测，应用科技，2001年第11期
[44] Bennett. C. A, Noworolski. J. M, Noworolski. Z. A microcomputer-based UPS battery management system. APEC'91. Sixth Annual, 10-15 Mar 1991
[2] 谢力华，苏彦民，正弦波逆变电源的数字控制技术，电力电子技术，2001年第6期，pp52-55
[3] Jian Chen, Shanxu Duan, Xinchun Lin, Xuejun Pei, Yong Kang. Analysis and design of the DSP-based fully digital-controlled UPS. Power Electronics and Drive Systems, 2001 Proceedings, 2001 4th IEEE International Conference, Oct 2001, Vol. 1, 22-25 Oct 2001, pp296-300
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[39] 顾正平，8098单片机直流电机调试系统，微型机与应用，1998年第3期
[40] 谢洪友，吕恬生，基于数字信号处理器的直流电机控制系统，机电工程，2002
年第2期
[41] 李成章，UPS的电池管理功能，电源世界，2000年第7期
[42] 王朔，小功率UPS的电池智能管理研究，沈阳工业大学学报，2001年第11期
[43] 李江华，谢红，用I/O口实现电池电压线性检测，应用科技，2001年第11期
[44] Bennett. C. A, Noworolski. J. M, Noworolski. Z. A microcomputer-based UPS battery management system. APEC'91. Sixth Annual, 10-15 Mar 1991
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