一种基于双核DSP的三相UPS电源控制装置的制作方法

本实用新型涉及电源控制领域，尤其涉及的是一种基于双核DSP的三相UPS电源控制装置。

背景技术：

随着重要部门、大型用电设备对高品质电源需求的日益增多，同时为了减少由于电力电子设备的大量使用、非线性负载的不断增加所带来的电网谐波污染，UPS(Uninterruptible Power Supply，不间断电源)得到了日益广泛的应用。全控型电力电子器件、高性能DSP（数字信号处理器）和先进控制技术的发展，促进了UPS向绿色化、数字化、智能化和并联运行等技术方向发展。逆变器作为是UPS最主要的部分之一，其控制是大功率UPS控制技术的关键；而UPS并机功能可以使供电系统方便扩容和实现冗余，大大提高了系统的可靠性。而承担逆变和冗余并机控制算法的关键载体，即控制器（最常用的是数字信号处理处理器DSP）的性能与开发效率要求越来越高。

随着DSP技术不断发展，处理速度和性价比都不断提高。有了这些芯片的支持，便于对UPS系统应用先进的控制策略与控制算法，提高了系统的效率和可靠性，便于系统的升级和维护。目前市场上UPS电源控制器主流是美国TI公司的DSP，如TMS320LF2407、TMS320F2812等，但这些均属于定点DSP，而且存在内部AD的转换器不稳定、保护功能不完善等缺陷。随着TI公司DSP系列产品性能的突飞猛进，新的产品如Concerto系列、Delfino系列和Piccolo系列等不断出现，而广泛应用于电源控制的TMS320LF240X系列已经停产，TMS320F28XX（典型如TMS320F2812）等也将逐步淘汰，因此，在大功率UPS上应用新型DSP技术，优化和改进控制方案和算法是电源厂商急需解决的技术问题。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种基于双核DSP的三相UPS电源控制装置，旨在解决现有大功率UPS电源的控制装置处理速度不够而难以支撑复杂的控制算法、主控制芯片内部A/D转换器精度不够、保护功能不完善、多台UPS并机时不稳定，以及因为控制精度问题导致输出隔离变压器噪声较大等技术问题。

本实用新型的技术方案如下：一种基于双核DSP的三相UPS电源控制装置，其包括底板、核心板、旁路/逆变转换电路小板、输入/输出电压采集小板、第一电流检测小板和第二电流检测小板；所述核心板是TI公司的最新型双核DSP TMS320F28377D及其外围电路组成的最小系统；核心板置于在底板的中间，并且可以插拔，便于控制系统软件调试和升级；所述旁路/逆变转换电路小板、输入/输出电压采集小板、第一电流检测小板和第二电流检测小板分别安装在底板的一端，且依次沿着外侧向内侧分布，可以插拔；所述底板内侧上还焊接有控制装置电源总接口、旁路/逆变转换输出可控硅接口和并机控制接口；所述底板外侧上还设置有数控整流接口，所述底板的另一端设置有三相逆变器驱动接口；所述核心板分别与旁路/逆变转换电路小板、输入/输出电压采集小板、第一电流检测小板、第二电流检测小板、数控整流接口和三相逆变驱动接口连接。

所述的基于双核DSP的三相UPS电源控制装置，还包括并机电路小板；所述并机电路小板插装在底板上，且位于核心板和三相逆变驱动接口之间。

所述的基于双核DSP的三相UPS电源控制装置，其中，所述并机电路小板与核心板连接。

所述的基于双核DSP的三相UPS电源控制装置，其中，所述三相逆变驱动接口包括A相逆变驱动接口、B相逆变驱动接口和C相逆变驱动接口。

所述的基于双核DSP的三相UPS电源控制装置，其中，所述输入/输出电压采集电路小板用于采集三相输入和输出电压，共6路电压信号；所述旁路/逆变转换电路小板采集三相旁路电压、三相逆变桥输出电压共6路电压信号；所述输入/输出电压采集电路小板和旁路/逆变转换电路小板，两者的电路相同，电压采集的前置处理均采用单端8通道多路开关4051和隔离放大器AMC1200。

所述的基于双核DSP的三相UPS电源控制装置，其中，所述第一电流检测小板采集三相市电输入电流、三相逆变桥输出电流，共6路电流；第二电流检测小板采集隔离变压器输出电流、三相负载电流，共6路电流；所述第一电流检测小板和第二电流检测小板的电路相同，且包含上述12路电流和蓄电池输出电流信号的前置处理通道。

所述的基于双核DSP的三相UPS电源控制装置，其中，所述核心板包括核心芯片TMS320F2837D、基准电压芯片REF3030ADBZR和高频滤波电路，能够实时采集和处理上述12路电压信号、12路电流信号和蓄电池输出电流信号，并输出IGBT驱动信号、可控硅驱动信号、并机信号和通信接口信号。

所述的基于双核DSP的三相UPS电源控制装置，其中，所述底板上焊接有直流电源总接口，底板通过电源总接口与控制装置电源板相连接，控制装置电源板能够提供1.2V、3.3V、+12V、5V稳定的直流电压，不插装或焊接在底板上，而是作为一块独立的电路板，目的是为了提高装置的抗干扰能力和可靠性，以及维护上的方便。

本实用新型的有益效果：本实用新型通过将核心板安装在底板的中间，并且可以插拔，所述旁路/逆变转换电路小板、输入/输出电压采集小板、第一电流检测小板和第二电流检测小板分别安装在底板的一端，且依次沿着外侧向内侧分布，可以插拔；由于三相UPS电源控制装置的供电由单独的一块电源板通过电源总接口来供电，为控制装置节省了空间，提高了装置的抗干扰能力、可靠性和便于维护；能够通过并机电路小板实现10台以上UPS冗余并机，采用TMS320F2837D芯片作为核心芯片，芯片内两个CPU的工作频率均是200MHz，实现了低功耗和3.3V闪存编程电压，并且指令处理应用四级流水线方式，大大的提高了数据处理能力；所述电压板采用芯片4051和隔离放大器AMC1200作为电路芯片，所以能够通过芯片4051选通采样，能够在AMC1200的带宽范围内做到60kHz的采集速率，配合TMS320F2837D的16bit采集模式，大大提高了采集精度和数据处理能力，便于实现复杂的控制算法，提高了数据实时处理能力和装置抗干扰能力。

附图说明

图1是本实用新型的一种结构框图。

图2是通用的三相UPS逆变及输出结构框图。

图3是本实用新型的软件初始化流程图。

图4是本实用新型的单机逻辑流程图。

图5是本实用新型UPS逆变器调节程序流程图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本实用新型进一步详细说明。

本实用新型中的双核DSP TMS320F28377D是美国TI公司最新推出的32位浮点DSP控制器之一，集成了多种先进的外设，为电源及其它控制领域应用的实现提供了良好的平台。主要特点有：

1.双核，工作频率都是200MHz，低功耗和3.3V闪存编程电压；

2.每个核有独立的CLA可编程内核，可以并行独立运算、控制外设，大大减轻主核的负担；

3.每个核有独立的FPU、TMU、VCU协处理器，浮点运算时间缩减为几个流水周期；

4.高性能32位CPU，哈佛总线结构，能进行16×16位和32×32位 MAC运算，16×16位双MAC；

5.片内存储器有多达512K×16位闪存，2K×16 OTP ROM，本地RAM 36K，共享RAM 64K；

6.可支持192个外设中断，GPIO口可以作为5个内核中断；

7.电机控制外设：12个ePWM增强型模块，6个eCAP增强型捕获模块；

8.4个A/D转换模块，可以配置16位或者12位模式，16位模式的采样速率可以高达1.1MSPS，12位模式的采样速率可高达3.5MPSP。

如图2所示通用的三相UPS逆变及输出结构框图，逆变器采用三相全桥结构，功率半导体器件为IGBT，输出为三相四线制，输出隔离变压器采用连接，Cf为输出滤波电容，Lf为输出滤波电感。UPS单机功率等级为10KVA～1000KVA，并可以实现冗余并机；图2中A部进行逆变电压、电流采集，在B部当中进行隔离变压器电压、电流采集，在C部进行负载电压、电流采集。

图1的控制装置适用于图2所示结构的三相UPS的控制，对于其它结构的UPS（例如逆变器为三相四桥臂结构），只需对控制装置稍加修改即可。

如图1所示，本实用新型公开了一种基于双核DSP的三相UPS电源控制装置，其包括底板1、核心板2、旁路/逆变转换电路小板3、输入/输出电压采集小板4、第一电流检测小板5和第二电流检测小板5；所述核心板2插装在底板1的中间，所述旁路/逆变转换电路小板3、输入/输出电压采集小板4、第一电流检测小板5和第二电流检测小板6分别插装在底板1的一端，且依次沿着外侧向内侧分布；所述底板1内侧上还插接有控制装置电源总接口7、旁路逆变转换输出控硅接口8和并机接口9；所述底板1外侧上还设置有数控整流接口10，所述底板1的另一端设置有三相逆变驱动接口11；所述核心板2分别与旁路/逆变转换电路小板3、输入/输出电压采集小板4、第一电流检测小板5、第二电流检测小板6、数控整流接口10和三相逆变驱动接口11连接。

上述的电源总接口7还与控制装置的电源板13连接。

上述的数控整流接口能兼容IGBT高频整流和6脉冲（12脉冲、18脉冲和24脉冲）晶闸管整流。

采用上述结构后，通过将各个小板合理插装在底板上，由于三相UPS电源控制装置的供电由单独的一块直流电源板接入到电源总接口7来实现，为UPS电源控制装置节省了不少空间；能够通过旁路/逆变转换电路小板和输入/输出电压采集小板准确实时采集各种电压信号，实现对UPS电源的输出电压的实时控制，并能降低UPS电源的输出隔离变压器的噪音。

上述的基于双核DSP的三相UPS电源控制装置，其中，还包括并机电路小板12；所述并机电路小板12插装在底板1上，且位于核心板2和三相逆变驱动接口11之间。

采用上述结构后，本实用新型通过并机电路小板12在底板上可插拔，可以选择是否需要并机功能而决定是否插装并机小板，进而可实现不少于10台的UPS冗余并机。

所述的基于双核DSP的三相UPS电源控制装置，其中，所述并机电路小板12与核心板2连接。

所述的基于双核DSP的三相UPS电源控制装置源，其中，所述三相逆变驱动接口12包括A相逆变驱动接口、B相逆变驱动接口和C相逆变驱动接口。

所述的基于双核DSP的三相UPS电源控制装置，其中，所述旁路/逆变转换电路小板和输入/输出电压采集小板为线路相同的电压板，分别包含有三相逆变桥输出交流电压、三相旁路输入交流电压和市电输入交流电压、UPS输出交流电压的处理通道。

所述旁路/逆变转换电路小板用于采集三相旁路电压和三相逆变桥输出电压，共6路电压信号；所述的输入/输出电压采集小板用于采集三相旁路电压、三相逆变桥输出电压，共6路电压信号。所述旁路/逆变转换电路小板和输入/输出电压采集小板均采用了芯片4051和隔离放大器AMC1200。

采用上述结构后，本实用新型当中，所述旁路/逆变转换电路小板和输入/输出电压采集小板的设计原理是：所述旁路/逆变转换电路小板和输入/输出电压采集小板均包含交流电压的前置处理通道：交流电压首先经过电阻分压将高压信号变成芯片可处理的低压信号，然后由电压钳位电路限定信号在0-5V范围，再经过复用器74HC4051将多路信号复用成1路信号，并送入隔离放大器AMC1200进行隔离，以保护后级电路的安全。隔离放大器AMC1200的输出信号直接送至核心芯片TMS320F28377D中的ADC口进行采集；另外，交流电压同步信号采集选用了4路电压比较器TLC3702CDR。

所述的基于双核DSP的三相UPS电源控制装置，其中，所述第一电流检测小板采集三相市电输入电流、三相逆变桥输出电流，共6路电流；第二电流检测小板采集隔离变压器输出电流、三相负载电流，共6路电流。所述第一电流检测小板和第二电流检测小板的电路相同，且包含上述12路电流和蓄电池电流互感器输出电流的前置处理通道。

所述的基于双核DSP的三相UPS电源控制装置，其中，所述核心板包括核心芯片TMS320F2837D、基准电压芯片REF3030ADBZR和高频滤波电路，能够实时采集和处理上述12路电压信号、12路电流信号和蓄电池输出电流信号，并输出IGBT驱动信号、可控硅驱动信号、并机信号和通信接口信号。

采用上述结构后，本实用新型通过电流互感器的输出各路电流信号首先经过电阻分压，使得信号范围在±1.5V以内，再经过由运算放大器LM324ADR组成的有源滤波器滤除高频噪声信号，最后经过由LM324ADR组成同相放大器电路将信号调整到0-3V范围内，以便核心芯片TMS320F28377D中的ADC采集。电流检测小板还包含信号钳位电路，以防信号电压超出0-3V的范围，从而保护后级TMS320F28377D中的ADC（内部A/D转换器）不因过压而损坏。

所述的基于双核DSP的三相UPS电源控制装置，其中，所述底板上焊接有直流电源总接口，底板通过电源总接口与控制装置电源板相连接，控制装置电源板不插装或焊接在底板上，是为了提高装置的抗干扰能力和可靠性，以及维护上的方便。控制装置电源板能够提供1.2V、3.3V、+12V和5V稳定的直流电压，具有滤波和限流保护功能。还有隔离的3个5V电压，可以给UPS电源监控模块供电。所述控制装置电源板采用的电源管理芯片为TPS62420DRC和TPS3895ADRYR。

本实用新型的底板上的IGBT驱动接口可输出IGBT驱动信号并接收IGBT故障信号。可控硅驱动接口可生成可控硅触发脉冲，从而控制整流可控硅和旁路逆变切换可控硅。底板上的通信接口电路包含1路ISO1050隔离式CAN总线通信收发电路、TTL信号数字隔离器ADUM1412电路和电压钳位保护电路，可安全地进行对外通信。底板上还包含若干指示灯，可指示UPS电源和程序的运行状态。另外，本实用新型的核心板上还有JTAG接口，可以进行程序烧录和仿真调试等。

本实用新型通过将核心板插装在底板的中间，所述旁路/逆变转换电路小板、输入/输出电压采集小板、第一电流检测小板和第二电流检测小板分别插装在底板的一端，且沿着外侧向内侧分布；并由于三相UPS电源控制电路板的供电由独立的一块电源板通过电源总接口来供电，这样为UPS电源控制装置省了不少空间；采用TMS320F2837D芯片作为核心芯片是得工作频率均是200MHz，实现了低功耗和3.3V闪存编程电压；所述电压板采用芯片4051和隔离放大器AMC1200作为电路芯片，所以能够通过芯片4051选通采样，能够在AMC1200的带宽范围内做到60kHz的采集速率，配合TMS320F28377D的16bit采集模式，大大提高了采集精度，提高了控制装置抗干扰能力。能够通过选择并机电路小板实现10台UPS冗余并机。

依托本实用新型的硬件，控制装置软件主要包括单机主程序、并机逻辑（可选）、SVPWM（空间矢量调制）调制、数字锁相、三相电压不平衡调节和旁路切换控制等程序模块。对于SVPWM调制，本软件采用的是利用DSP软件实现SVPWM的方法，把三相变流器的指令输出电压在复平面上合成为电压空间矢量，并通过不同的开关矢量组合去逼近指令电压空间矢量，与传统的 SPWM（正弦脉宽调制）相比，直流电压的利用率可大大提高，并能获得更好的谐波抑制效果。

本实用新型软件初始化流程如图3所示，单机逻辑流程如图4所示，UPS逆变器调节程序流程图如图5所示。

本实用新型不仅可以实现单机和并机共用一个程序，实现了基于双核DSP TMS320 F28377D的三相大功率UPS的数字化控制，单机功率等级为10KVA-1000KVA。同时为了提高母线的电压的利用率，采用了SVPWM的调节方式，把通常的5段式SVPWM变成7段式SVPWM，虽然开关次数增加了，但是死区时间加大到3μS，不但输出隔离变压器的噪声降低了，波形的失真度也优化到1%。直流电压的利用率可以提高15%，能够获得较好的谐波抑制效果，易于实现数字化控制。采用7段式SVPWM调制方式，并可以对不平衡电压中的负序分量得到很好的抑制，解决UPS带不平衡负载时输出电压不平衡的问题，针对含量较高的特定阶次谐波进行补偿，大大减小了谐波失真，保证了UPS输出电压良好的波形质量。

应当理解的是，本实用新型的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。