【導(dǎo)讀】UPS主要向一些用戶的關(guān)鍵設(shè)備提供工作頻率穩(wěn)定，穩(wěn)壓精度高、電壓失真度小的正弦波電源。設(shè)計在線式三進三出10KVA全數(shù)字化無人監(jiān)守三相UPS。不間斷電源在計算機、通信系統(tǒng)、醫(yī)院等一些重要用電系統(tǒng)中占有決定性地位，能在市電正?；蚬收锨闆r下為負(fù)載提供可靠、干凈的電源。在各種UPS中，在線式UPS具有電源故障保護性能優(yōu)越、實時性能強、精度高等特點，故本文主要設(shè)計了一臺容量為10KVA的在線式UPS。本文研究一種基于DSP芯片的在線式UPS，這是一種功能完備、性能良好的新型UPS。隨著對UPS性能、精度等指標(biāo)要求的不斷提高，將DSP芯片應(yīng)用到UPS中可將先進的SVPWM控制策略引入到控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)UPS的全數(shù)字控制。

　　

【正文】 間內(nèi)所產(chǎn)生的積分效果(在電機調(diào)中，忽略定子電阻的影響時，電壓的積分就是磁鏈)與UX、Uy、U0分別作用TX、Ty、T0時間的積分相加總和值效果相同。以下是以在第一區(qū)間的情況為例，介紹七段式生成方法計算主、輔矢量的作用時間其它區(qū)間也按同樣的方法計算。當(dāng)合成矢量落在第一扇區(qū)內(nèi)，則用平均值等效可得U4T4+U6T6=UTT=T0+T4+T6其中，TT6和T0分別為對應(yīng)電壓矢量UU6和U0（U7）的作用時間，T為PWM周期值。另外，為使波形對稱，把每個矢量的作用時間都一分為二，同時把零矢量時間分配給兩個零矢量U0、U7。和，這樣可以降低逆變器諧波輸出含量同時，各電壓矢量的作用次序要遵循開關(guān)次數(shù)最少的原則，即任意一次電壓矢量的變化只能有一個橋臂的開關(guān)動作，表現(xiàn)在二進制矢量表示中只有一位發(fā)生變化。這是因為如果允許有兩個或三個橋臂同時動作，則在線電壓的半周期內(nèi)會出現(xiàn)反極性的電壓脈沖，產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩， 引起轉(zhuǎn)矩脈動和電磁噪聲。圖3－4 七段式SVPWM波形圖所以，產(chǎn)生的開關(guān)序列為U0U4U6U7U7U7U6U4U0。其圖形如圖3－4所示矢量作用時間的推導(dǎo)過程比較繁雜，在這里，本文用一種比較簡單的方法，來推導(dǎo)算法中各矢量的作用時間。這種方法利用空間矢量的對稱特點，只需計算三個扇區(qū)的作用時間，就可推導(dǎo)出另處三個扇區(qū)的用時間，達(dá)到減少計算工作量的目的。各矢量的作用時間則根據(jù)圖3－5，由正弦定理可得：OAsin(π3θ)=OBsin(2π3)=ABsin(θ)即：T4U4sin(π3θ)=TUsin(2π3)=T6U6sinθ6個基本空間矢量幅值相等，把U6=U4=2Ud3代入上式，即可求出第一扇區(qū)時間： T4=3UTUdsin(π3θ)T6=3UTU6sinθ ①同理，可以推出當(dāng)扇區(qū)號N＝2時的矢量時間分配： T2=3UTUdsin(2π3θ)T6=3UTUdsin(θπ3) ②N=3時： T2=3UTUdsin(2π3θ)T3=3UTUdsin(θ2π3) ③將以上三式綜合起來表示，就可以得到N=3時的矢量時間計算公式： TX=3UTUdsin(Nπ3θ)Ty=3UTUdsin(θ(N1)π3)從基本矢量圖中可以看出，第1扇區(qū)內(nèi)矢量與第4扇區(qū)內(nèi)矢量關(guān)于圓心對稱，即空間相位差為180176。，根據(jù)這種對稱關(guān)系可以知道各矢量作用時間值也是關(guān)于圓心相對稱的。因而第6扇區(qū)各矢量作用時間就不需要再作推導(dǎo)，直接根據(jù)第3扇區(qū)作用時間來確定即可（N＝6）：Tx=3UTUdsin((N3)π3θ)Ty=3UTUdsin(θ(N4)π3)為了補償U的旋轉(zhuǎn)頻率，需要插入零矢量UO或者U7，其作用總時間為TO，滿足條件：TO=TT4T6 , T00=1KT0, T07=KT0約束條件為0≤K≤1在此，定義扇區(qū)內(nèi)先發(fā)生的矢量TX叫主矢量，后發(fā)生的矢量Ty叫輔矢量。將以上各個扇區(qū)內(nèi)矢量作用時間的計算情況，作3/2坐標(biāo)變換，到靜止α、β二相坐標(biāo)系下，用Uα、Uβ來表示以上各式，綜合起來考慮，就得到計算導(dǎo)通時間的公用計算公式：X=3TUdUβY=TUd(23Uα+32Uβ)Z=TUd(32Uα+32Uβ)定義TT2分別為各個扇區(qū)內(nèi)的主輔矢量作用時間，將計算綜合成一個表格，就如下表3－2：表3－2 各扇區(qū)內(nèi)的主輔矢量作用時間扇區(qū)號123456T1ZYZXXYT2YXXZYZ這種方法的優(yōu)點是，只要知道了參考電壓U所在扇區(qū)，就可以根據(jù)上表格快速計算出兩矢量的作用時間，而不必去計算電位角，省去了復(fù)雜的三角函數(shù)運算等問題。通過對扇區(qū)的選擇，那么相鄰矢量的作用時間可在，中選擇。上述的計算方法沒有考慮和之和大于的情況，即過飽和的情況，所以在具體設(shè)計時就需要對和進行歸一化處理：，表3－3 發(fā)送順序T002T12T22T072T22T12T002U0U1U2U7U2U1U0在知道各扇區(qū)內(nèi)兩相鄰矢量作用時間后，遵循開關(guān)次數(shù)最少的原則，便可采用七段式空間矢量合成方法來發(fā)送矢量，即：在每個扇區(qū)內(nèi)，每個零矢量均以（000）開始和結(jié)束，中間的零矢量均為（111），其它非零矢量的發(fā)送保證每次只有一個開關(guān)切換。各矢量的發(fā)送順序規(guī)律見表3－表3－4所示。為了計算空間電壓矢量比較器的切換點，在此定義：ta=TT1T24tb=ta+T12tc=tb+T22表3－4 時刻切換點扇區(qū)號123456TCM1tbtatatctctbTCM2tatctbtbtatcTCM3tctbtctatbta遵循上述各矢量的發(fā)送順序和作用時間規(guī)律，便可以合成所期望的電壓矢量，從而實現(xiàn)磁鏈追蹤。顯然，控件器采樣頻率越大，逆變器開關(guān)頻率越高，磁鏈追蹤的精度越高。但逆變器開關(guān)頻率的提高必然造成電流諧波含量的增大和開關(guān)損耗的增加。 SVPWM控制算法的仿真在科研實踐中，系統(tǒng)仿真變得越來越不可缺少。精確的仿真可以大量的減少設(shè)計和實驗?zāi)M的費用，其優(yōu)點為：（1）仿真可很好為教學(xué)目的服務(wù)。（2）仿真可以提供系統(tǒng)性能的數(shù)據(jù)資料，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)原型中存確定最優(yōu)參數(shù)。（3）仿真通常比在實際電路中做實驗要便宜得多。利用MATLAB/Simulink環(huán)境下的豐富模型，可很方便的實現(xiàn)SVPWM的仿真。經(jīng)過前面的分析可知，在兩電平逆變順的實際運行中，一共有8個電壓空間矢量，其中2個零矢量和六個非零矢量因而也只能用這8個矢量來等效形成旋轉(zhuǎn)的電壓矢量Ur。通過MATLAB實現(xiàn)SVPWM調(diào)制算法的仿真主要有以下幾個步驟。（1）判斷矢量Ur所處的扇區(qū)。（2）計算公用公式X、Y、Z，并進一步計算出各扇區(qū)內(nèi)主輔矢量的作用時間的分配情況。（3）根據(jù)扇區(qū)來確定空間電壓矢量切換點TCMTCMTCM3。（4）SVPWM脈沖的產(chǎn)生。在MATLAB中SVPWM的總體仿真模塊如圖3－7所示，直流電壓取515V，并在輸出加一個低通濾波器如3－6所示右圖3－6 低通濾波器模塊SVPWM的總體仿真模塊如圖3－7所示一、 參考矢量Uα、Uβ的采樣由正弦信號通過3/2變換得到參考矢量Uα、Uβ，3/2變換模塊如圖3－8所示。uαuβ=231 12 120 32 32uAuBuC由以上3/2坐標(biāo)的公式，設(shè)置仿真模塊中的參數(shù)參數(shù)如下gain=1/2。gain1=1/2。gain2=32。gain3=32。gain4=。gain5=圖3－8 3/2變換仿真模型二、扇區(qū)的選擇在此，我們定義三個中間變量，D0、DD2，其圖示如圖3－9。顯然有D0=UβD1=32Uα12UβD2=32Uα12Uβ定義函數(shù) signx=0 x0 1 x0根據(jù)式S＝sign(D0)+2sign(D1)+4sign(D2)計算所得到系數(shù)S,S與Ur所在扇區(qū)號N的關(guān)系如表3－5 表3－5 S與扇區(qū)號N的對應(yīng)關(guān)系表S123456扇區(qū)號NⅡⅥⅠⅣⅢⅤ扇區(qū)判斷圖3－9根據(jù)以上分析建立起MATLAB扇區(qū)判斷的仿真模型,如圖3－10所示圖3－10扇區(qū)判斷模塊三、 公式X、Y、Z和矢量分配時間TX、TY在前面相關(guān)內(nèi)容中，已經(jīng)推導(dǎo)過這幾個量的數(shù)學(xué)模型，這里就能夠按照數(shù)學(xué)模型來建圖3－11 X、Y、Z仿真模塊圖3－12 矢量分配時間TT2立仿真模型了。MATLAB仿真模型如圖3－11為X、Y、Z仿真模型，3－12為矢量分配時間考慮和之和大于的情況，即過飽和的情況，所以在具體設(shè)計時就需要對和進行歸一化處理：，所以，在仿真模型中設(shè)置FCN1=u(1)*u(3)/(u(1)+u(2))FCN=u(3)u(2)u(1)FCN2=u(2)*u(3)/(u(1)+u(2))四、 矢量切換點TCMTCMTCM3計算先計算出變量Ta、Tb、TC，然后根據(jù)表3－4可以計算出在各個扇區(qū)內(nèi)的PWM脈沖跳變對應(yīng)的比較值TcmTcmTcm3，仿真模型如圖3－13所示圖3－13矢量切換點仿真模型 電源的頻率為50HZ，輸出未加濾波模塊，如圖3－14所示圖3－14 SVPWM輸出電壓UAB波形及諧波輸出加一個低通濾波器LOWPASS，仿真波形如圖3－15所示圖3－15 SVPWM輸出電壓UAB波形及諧波4 TMS320系列TMS320系列包括了定點、浮點、多處理器數(shù)字信號處理芯片和定點DSP控制器。TMS320DSPs的體系結(jié)構(gòu)適合于實時的數(shù)字信號處理。240xA系列DSP控制器將實時處理功能與控制器的外設(shè)功能集于一身，為控制系統(tǒng)應(yīng)用提供了一個理想的解決方案。TMS320系列的DSP具有以下特點：（1） 靈活的指令系統(tǒng)；（2） 靈活的操作性能；（3） 調(diào)整的運算能力；（4） 改進的并行結(jié)構(gòu)；（5） 很高的性能價格比；在1982年，TI公司推出了TMS320系列的第一款定點DSP芯片——TMS32010。迄今，TMS320系列已有：C1x、C2x、C20x、C24x、C5x、C54x、C6x定點DSPs、C3x、C4x浮點DSPs、C8x多處理器DSPs。240xA芯片是24x定點DSPs系列的一部分，是C2000平臺的一員。TMS320系列中的同一系列產(chǎn)品具有相同的CPU結(jié)構(gòu)，只是片存儲器和片內(nèi)外設(shè)的配置不同。派生的器件集成了新的片內(nèi)存儲器和片內(nèi)外設(shè)，以滿足不同應(yīng)用場合的需要。將存儲器和外設(shè)集成到DSP芯片內(nèi)，不僅降低了系統(tǒng)成本，而且節(jié)省了電路板空間。圖4－1給出了TMS320系列產(chǎn)品。圖4－2給出了TMS320芯片的命名方法。圖4－1 TMS320系列產(chǎn)品最佳控制低功耗高性能C1/2XXXC8XC5XC2000(C20,C24)C6000(C62X,C67X)C5000(C54)C3X/C4X圖4－2 TMS320芯片的命名方法TMS320LF2407A是一款高性能的16位DSP芯片，是專門為控制應(yīng)用而設(shè)計的，處理速度快，且片內(nèi)含有豐富的硬件資源，大大減少了外圍設(shè)備，簡化了系統(tǒng)，為使用者帶來了巨大的方便。TMS320LF2407A共有144個引腳，采用PGE封裝 TMS320LF2407A的主要特點如下① 采用了高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，因此具有低功耗、高處理速度的特點。根據(jù)TI提供的資料，且有4種低功耗工作方式，單指令周期25ns（40MHz），最高的運算速度能達(dá)到40MIPS。② 可尋址存儲器空間為384KB，包括128KB的程序存儲器、128KB的數(shù)據(jù)存儲器和128KB的I/O空間。其中片內(nèi)雙方向RAM544Byte，64KB的Flash存儲器，片內(nèi)單訪問RAM 4KB。③ 有看門狗定時器，保證程序正常運行。④ 32位累加器和32位算術(shù)邏輯單元，一個1616的硬件乘法器。⑤ 10位16通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最快轉(zhuǎn)換時間為375ns。⑥ 41個通用I/O引腳，5個外部中斷，16個PWM通道，4個16位通用定時器 一、系統(tǒng)組成 TMS320LF2407A系統(tǒng)組成包括：40MHz、　CPU、片內(nèi)存儲器、事件管理器模塊、片內(nèi)集成外圍設(shè)備。二、 CPU及總線結(jié)構(gòu) TMS320LF2407A的CPU是基于TMS320C2XX的16位定點低功耗內(nèi)核。體系結(jié)構(gòu)采用四級流水線技術(shù)加快程序的執(zhí)行，可在一個處理周期內(nèi)完成乘法、加法和移位運算。其中央算術(shù)邏輯單元（CALU）是一個獨立的算術(shù)單元，它包括一個32位算術(shù)邏輯單元（ALU）、一個32位累加器、一個1616位乘法器（MUL）和一個16位桶形移位器，同時乘法器和累加器內(nèi)部各包含一個輸出移位器。完全獨立于CALU的輔助寄存器單元（ARAU）包含八個16位輔助寄存器，其主要功能是在CALU操作的同時執(zhí)行八個輔助寄存器（AR7至AR0）上的算術(shù)運算。兩個狀態(tài)寄存器ST0 和ST1用于實現(xiàn)CPU各種狀態(tài)的保存。 TMS320LF2407A采用增強的哈佛結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)部具有六條16位總線，即程序地址總線（PAB）、數(shù)據(jù)讀地址總線（DRAB）、數(shù)據(jù)寫地址總線（DWAB）、程序讀總線（PRDB）、數(shù)據(jù)讀總線（DRDB）、數(shù)據(jù)寫總線（DWEB），其程序存儲器總線和數(shù)據(jù)存儲器總線相互獨立，支持并行的程序和操作數(shù)尋址，因此CPU的讀/寫可在同一周期內(nèi)進行，這種高速運算能力使自適應(yīng)控制、卡爾曼濾波、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等復(fù)雜控制算法得以實現(xiàn)。三、存儲器配置 TMS320LF2407A地址映象被組織為三個可獨立選擇的空間：程序存儲器（64K）、數(shù)據(jù)存儲器（64K）、輸入/輸出（I/O）空間（64K）。這些空間提供了共192K字的地址范圍。 其片內(nèi)存儲器資源包括：544字16位的雙端口數(shù)據(jù)/程序DARAM、2K字16位的單端口數(shù)據(jù)/程序SARAM、片內(nèi)32K16位的Flash程序存儲器、256字16位片上Boot ROM、片上Flash/ROM具有可編程加密特性。 TMS320LF2407A的指令集有三種基本的存儲器尋址方式：立即尋址方式、直接尋址方式、間接尋址方式。 四、事件管理器模塊 TMS320LF2407A包含兩個專用于電機控制的事件管理器模塊EVA和EVB，每個事件管理器模塊包括通用定時器（GP）、全比較單元、正交編碼脈沖電路以及捕獲單元。 ① 通用定時