基于DSP的新型掉电快速检测系统

王俊伟，俞冬冬，吴秋轩

(杭州电子科技大学自动化学院，浙江杭州310018)

0 引言

交流电检测电能质量的检测与切换技术是UPS的核心［1］。目前UPS的切换分为基于均值的切换技术和基于瞬时值的切换技术两大类［2，3］。基于均值的检测切换技术通常在快速性方面不理想，所以在UPS的掉电检测中通常使用瞬时值检测方案［4］。文献5介绍了一种基于市电瞬时值的全数字化检测切换方法，检测和切换的时间很短，但不能检测市电的波形失真，尤其当市电有尖峰干扰时，容易造成误动作。文献6介绍了一种基于正弦平方和的快速掉电检测方法，该方法要求市电波形必须是正弦，当市电波形失真时难以检测出来。文献7，8介绍了一种基于模拟和数字结合的瞬时值检测切换技术－硬件掉电捕获技术，既可快速检测市电停电、幅值或频率超标、又可检测市电波形失真、抗干扰性好、可靠性高，但是由于硬件组成复杂，产品调试相对复杂，成本相对较高。本文介绍一种基于DSP的新型交流电掉电快速检测技术。该设计结合了上述几种方案的特点，依靠DSP强大的运算逻辑能力，在UPS市电掉电检测环节通过软件模拟硬件掉电捕获检测方案，减少了成本和体积，提高了可维护性、移植性和智能化程度［9］，契合了数字化的发展趋势［10］。

1 系统设计

查阅了相关资料之后，在线式UPS中对于市电的检测，一般使用硬件掉电捕获技术，如图1所示，其中市电经变压器T1降压后再经电阻R3和R4分压，在R4上产生一个市电检测信号，相位正好与市电相反。同时，DSP对市电进行锁相跟踪，其PWM6脚输出一个与市电的频率和相位都相同的SPWM波，该SPWM波经电平移动和低通滤波器滤波后得到一个正弦信号，然后再经电阻R7和R4分压后在R4上得到一个基准正弦电压信号，该信号幅值恒定，相位与市电保持一致。当市电不正常时，基准正弦信号没有变化，但输入检测变压器的电压发生变化，两者在R4上叠加后幅值不为0，导致Q1、Q2必有一个导通，使得射极输出低电平，在CAP3端产生瞬时脉冲，此时通过DSP的CAP端口捕获该脉冲信号，就可以判别出市电波形是否有畸变，以确定UPS中电源的切换。

上述原理的硬件方案的有着广泛的运用，但是随着IC技术的发展，减小独立元器件数量、降低成本、减小体积、增加数字化的程度是未来发展的方向，基于这些因素，设计了一种软件占主导的检测方案－软件模拟标准正弦波比较方案，即用DSP模拟原本在纯硬件中实现波形对比的过程:在DSP中制作标准市电波形的数据表格，通过在DSP中用软件模拟标准正弦波与实际检测到的交流电压值进行同相位的对比，若出现偏差过大，则判断为交流电波形出现畸变，需要切换电源。与硬件掉电捕获检测方案相比，具有元器件数量、成本、体积等方面的优势。

图1 硬件掉电捕获检测电路

1.1 硬件设计

本方案对交流电信号的硬件检测电路如图2所示。市电经变压器T1降压后，经过整流桥D1整流变成全半波，后经运放缩小至0－3.3V的DSP模数转化范围后接至DSP的AD检测口。于DSP内部进行AD转换及后续的对比工作，当掉电情况发生时，DSP中出现中断，做出对应的响应操作。相比较硬件掉电检测方案，本方案的硬件实现要容易很多。

图2 交流电信号硬件检测电路

1.2 软件设计

由于在硬件电路中，交流电经过整流后，正弦波变成了全半波，所以在软件模拟中需要在DSP中建立与标准全半波幅值对应的数值表作为比较的基准线。在市电正常工作情况下，检测到的波形应该与标准全半波一一对应，当连续几组数据出现较大的出入时，认定市电出现问题，由DSP输出信号控制相关引脚，借由继电器动作切换电源。

软件流程如图3所示，定义参数Count为离散采样计数值，范围0－99，参数Error1为信号偏差的累加计数值，初值为0，假设经数字滤波后，有效检测频率为5kHz，由于我国市电标准是50Hz，可得每个市电正弦周期内的采样次数将一个市电周期内对应的正弦波形等分为100份，对应Count的100个采样点。在DSP中建立一个周期内标准全半波对应的数列{an}a1，…，a100。同时实际检测到的市电检测值也建立数列{bn}b1，…，b100。

当检测到的实际市电bn与标准全半波an的大小对应相等时，累加值Error1减1，并进入下一次循环;当检测到的实际市电bn与标准全半波an的偏差大于某个阈值时，Error1加1。为避免电网上干扰信号，设定当连续出现5次超出阈值，即可认为市电供给出现断电等错误，触发软件中断。软件部分的识别时间计算如下:

一般UPS切换继电器的动作时间t2≤7ms，可得由市电出现异常至完成切换总时间t=t1+t2≤8ms，通常情况下，对UPS的切换时间的要求是10ms以内，对于一般的用电设备，本交流电掉电检测方案在理论上符合设计要求。

2 测试结果

测试中将采样频率设置在5kHz，即市电的每个正弦周期(经整流后全半波)有100个检测点。将系统采集到的市电波形数据传送给上位机，经MATLAB数据分析并建立模型得General model Sin4:

f(x)=a1*sin(b1*x+c1)+a2*sin(b2*x+c2)+a3*sin(b3*x+c3)+a4*sin(b4*x+c4)Coefficients(with 95%confidence bounds):

图3 软件模拟正弦波比较方案流程图

示波器检测到的实际全半波波形如图4所示，MATLAB数据拟合的波形如图5所示，通过两者波形的相似度，可以得出:通过本检测系统几乎可以完全复现待测市电的波形，一旦出现偏差，相应可触发中断，完成后续工作。通过与理想继电器配合，完全达到实验预期切换时间指标。

图4 示波器检测到的市电波形

图5 MATLAB数据拟合分析

3 结束语

本掉电快速检测系统充分利用了DSP的快速逻辑运算功能，与硬件捕获掉电检测方案相比，精简了元器件数量，降低了器件成本和体积，增加了系统功能，提高了可维护性、移植性和智能化程度，契合了UPS技术发展的发展趋势，对其它相关设计具有参考意义。

［1］王清，雷升印.UPS技术现状及发展动态［J］.山西电子技术，2007，(1):92－94.

［2］颜晓河，施三保，夏泽中.不间断电源技术综述［J］.煤矿机械，2006，27(9):6－8.

［3］裴雪军，段善旭，康勇，等.全数字化控制UPS切换策略的研究［J］.电气传动，2003，(3):62－64.

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［5］Oshima M，Nakamura F，Tamai S，et al.Development of a Novel Power Apparatus to Make up for Voltage Dips and Interruptions Based on Quick Reversible Operation of a PWM Converter［A］.PCC-OSAKA 2002［C］.2002:440－445.

［6］Kwon Bong-Hwan，Choi Jin-Ha，Kim Tae-Won.Improved Single-phase Line-Interactive UPS［J］.IEEE Industrial Electronics，2001，48(4):804－811.

［7］吴红霞，皮大能.基于DSP在线互动式UPS掉电检测电路的设计［J］.黄石理工学院学报，2007，23(4):9－12.

［8］王归新，段善旭.一种新型软硬件结合的UPS切换技术［J］.电力电子技术，2003，37(6):39－41.

［9］林新春，段善旭，康勇，等.基于DSP的UPS全数字化控制系统［J］.电力电子技术，2001，(2):51－53.

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