基于TMS320C240控制器实现大功率并联UPS的锁相控制技术

1．引言                  
    随着信息处理技术的不断发展，尤其是计算机的广泛应用和Internet的迅猛发展，现代信息设备对不间断电源（UPS）供电系统的可靠性要求越来越高，不间断电源(UPS)的可靠性越来越备受关注，不间断电源（UPS）并联供电系统逐步成为首位；如何保证UPS并联系统在电网恶劣的条件稳定、可靠运行是UPS厂家需要考虑的问题。本文介绍一种基于TI公司的TMS320C240 DSP控制器构成的大功率并联型UPS同步控制方案。与电网的同步、并联系统中各台UPS间的同步，成为并联UPS系统控制的关键。UPS并联系统中的核心部分是精度很高的锁相环，模拟锁相环是一门成熟的技术，以它独特的优良性能在许多领域得到了广泛地应用。但随着数字技术的发展，UPS的全数字化控制是大势所趋，因此，锁相环也逐渐过渡为数字化，数字DSP控制锁相环相对于模拟锁相环实现起来更方便，同时用软件代替硬件实现，还可以结合系统的其他功能统一设计，节省成本。
    2、TMS320C240 DSP控制器介绍
    TMS320C240是美国TI公司专为数字电机控制运用而推出的一种16位定点运算的DSP，为控制系统应用提供了一种理想的解决方案。它具备以下的主要性能：3个通用定时器，可输出3路比较/PWM脉冲；3个全比较单元，可输出3对带死区控制的比较/PWM脉冲；3个单比较单元，可输出3路比较/PWM脉冲；4个捕获引脚CAP，用于高速I/O管理；两组各8路10位10微妙的A/D转换器；看门狗定时器和定时中断定时器；片内ROM或Flash存储器等。
    3、并联系统UPS的同步控制方案
    1）、UPS的锁相控制原理
    市电电压波形及UPS输出电压波形都是正弦。设UPS逆变电压的频率为 ，而市电电压的频率为 ，故市电电压波形的瞬时值可表示为： ，
    UPS逆变输出电压波形的瞬时值可表示为： ，其中+ 为UPS输出波形超前于市电波形的相位角；－ 为UPS输出波形为滞后于市电波形的相位角。要实现UPS与市电的同步必须要求： = ,    =0，关键在于如何实现 = ，只能通过改变 使得 逐步减小，最终 =0, = 即
    当UPS输出波形超前于市电波形时，则要求该UPS输出电压的频率降低，即
                                                   当UPS输出波形为滞后于市电波形时，则要求该UPS输出电压的频率升高，即
                           
    2）、并联UPS系统同步锁相的实现
    并联系统UPS在市电与逆变切换时，若在切换的瞬间二者的输出波形不一致,会造成供电的中断，另一方面也可能会因两个电压源之间的环流过大而损坏UPS。为确保UPS系统市电与逆变的切换时不存在环流，需保证市电波形与逆变波形保持相位接近；因此需要一种装置用来检测市电的相位变化，并用于控制逆变器输出电压的相位和频率,使逆变器与市电保持同步运行。
    对于并联系统UPS的锁相可采用两级锁相结构，其中，一级锁相环又称外同步，是指并联系统各UPS跟踪市电相位和频率并进行相互间的相位同步控制，即实现UPS与旁路市电的同步。二级锁相环又称内同步，是指基于各台UPS输出电压的频率及相位跟踪和同步控制，它实现各台UPS间的同步。两级锁相环都采用了PI调节器，其中，内同步速度较快，精度很高（±10μs以内），它确保了UPS之间的并联环流可达到最小。外同步的PI调节器速度较慢，它确保了旁路和逆变器之间的平滑切换。每级锁相环包括相位误差检测、调节器的调节，以下分别介绍各级锁相环是如何实现的。
    并联系统中的锁相框图为：
            
       外同步：两台UPS的输入即市电经比较器电路整形为方波，经过同步母线综合后，将该方波信号送到每台UPS的DSP的捕获单元CAP1引脚，设置上升沿或下降沿捕获，则在方波信号发生相应跳变时进入捕获1中断读取计数器T2CNT的值作为PI调节器的反馈信号，通过与设定值相比较即可得相位差，再经PI调节器的运算形成调节量，用于改变T2PR的值，从而使逆变输出跟踪市电基准。
    内同步：T2计数器作为UPS正弦输出的相位和频率基准，为保证所有UPS之间同步，所有UPS都利用T2CNT发生一个方波，方波经同步母线综合后，送到所有UPS的CAP2端口，在方波信号发生相应跳变时进入捕获2中断中对T2CNT清零，保证内同步的给定是同步的。
    在正弦中点时对应的中断中读取T2CNT值作为反馈量，与T2PR/2相比较，再经PI调节器运算后得到的调节量用于改变T1PR的值，使逆变输出正弦波和T2计数器同步，从而逆变输出保持同步。
    锁相的软件算法如下图1、图2：
   
                  图1
   
                       图2
    其DSP同步算法如下图3所示：
   
                             图3
    4、实验结果：
     1）、UPS与市电网的同步锁相：下图4是UPS在市电状态下，UPS逆变输出波形与市电波形的同步锁相，通过DSP的控制可以保证锁相精度在20微秒。
      
   
                          图4
     2）、UPS与发电机的同步锁相：下图是UPS在发电机供电情况下，逆变输出与发电机波形的同步锁相情况，下图表明采用上述同步控制算法，可以很好保证UPS与发电机的匹配。
      
             
                            图5
    4、结束语
        通过DSP实现的两级锁相可以很好地解决并联系统UPS与市电间、各台UPS相互间同步控制的问题。通过大量的实验说明了这种锁相控制方法可以达到较好的同步精度，无论市电如何变化，异常到正常，正常到异常以及频率在范围内突变等各种情况下，各UPS逆变输出波形间的相差小于50us，为并联系统UPS间较好地实现均流做好了充分的准备。