基于TMS320LF2407的EPS电源系统的设计*

2014-02-07蒋晓明刘晓光

机电工程技术 2014年6期

黄丹，宋巍，蒋晓明，刘晓光，王攀

（1.广东省自动化研究所，广东广州 510070；2.空军驻广州地区军事代表室，广东广州 510410）

0 引言

随着社会的发展，各种信息化的用电设备对电力的依赖程度越来越大，并且对电源质量的要求也越来越高。供电系统的故障，瞬间的停电不仅会给人们的正常生活带来极大不便，甚至还会给国家造成巨大的经济损失。2003年8月14日下午美国东北部、中西部和加拿大南部发生大面积停电，持续了29个小时的大面积停电给5000万美国人和加拿大人的生活带来极大不便，并造成300亿美元以上的直接和间接经济损失[1]。EPS（Emergency Power Supply），人们称之为应急电源，作为独立于电网之外的后备电源是最有效解决停电等电力故障的有效途径之一，在事故或者紧急状况发生时，能够确保提供所需的应急电力，为人们的生活和生产的安全提供可靠保障。

本文设计了一种基于TMS320LF2407的EPS电源系统，其总体设计方案及构成如图1所示。EPS电源主要由市电检测模块、蓄电池组及其监测模块、充电器、逆变器、DSP控制器、切换开关、信号采样及调理模块等组成。

图1 EPS电源系统框图

1 EPS电源的总体设计及工作原理

当市电电网供电正常时，DSP控制系统通过I/O控制接口控制切换开关2和切换开关3断开，控制切换开关1接通，直接为用电负载提供电源，同时通过电池充电器向蓄电池组充电，逆变器处于停机状态；当市电检测模块检测到无市电输入或市电出现异常等故障时，DSP控制系统的I/O控制接口控制切换开关1断开，切换开关2和切换开关3导通为用电负载提供电源；此时充电器停止工作，蓄电池组为逆变器供电通过逆变器为用电负载提供所需的负载电压，从而保证了用电负载的电力供应不中断；当市电恢复正常时，控制电路控制切换为市电导通，逆变器输出断开并停止工作。

图2 交流输出霍尔采样电路

2 EPS电源控制系统的设计

本文设计的EPS电源的控制系统由硬件和软件两部分组成，主要完成对切换开关的切换控制，对蓄电池组的充放电的检测和控制，对充电器的PWM控制，对逆变器的温度、电流、电压信号采样及调理、SPWM控制、以及对人机界面输入及显示的控制，本文主要介绍针对逆变环节的控制系统的设计。

2.1 控制系统的硬件设计

本文设计的EPS电源逆变器的控制系统硬件设计是以TMS320LF2407为核心控制器，主要由信号采样及调理电路、I/O控制电路、IGBT驱动电路、通信接口电路等组成。

（1）采样及信号调理电路和市电检测电路本文分别对市电输入的电压以及逆变器的交流输出电压、输出电流进行检测。市电电压和逆变输出电压的是用霍尔电压传感器进行检测，逆变输出电流采用霍尔电流传感器检测，检测到的信号再经过运算放大器的调理、滤波电路、限幅等环节，分别把电压和电流的采样值调理0～3.3 V的电压信号输入给DSP的AD接口。DSP根据所检测到的市电电压值来控制3个切换开关的状态，检测到的逆变器交流输出电压值参与PID运算来控制逆变器模块的SPWM的信号，通过检测交流电流值以控制逆变器工作过载时做出保护措施。如图2是本文设计的逆变环节的电压的采样及调理电路，电流采样及调理与其相类似。

（2）I/O控制接口电路DSP的通用I/O口主要经过光电耦合器的隔离和转换，实现EPS电源开机、充电、逆变、停止、备用等信号的输入和输出。

（3）IGBT驱动电路IGBT驱动采用专用模块M57926AL及其外围电路设计实现。M57962AL具有驱动能力好，功率大，保护性能好等特点，根据该模块内部的电流保护功能对其应用电路进行安全可靠设计，能够实现在短路、退饱和或过流时，实现隔离和保护功能。

图3 应急电源主程序流程图

（4）通信接口电路采用了RS232串口通信，主要用于蓄电池监控模块信号的以及人机界面预设信号、故障信号、系统工作状态信号等与DSP之间的传输。

2.2 控制系统的软件设计

控制系统的DSP程序完成工作状态转换和输出驱动信号，主要包括系统主程序和中断子程序。

（1）主程序

主循环程序包括产生应急电源的启动信号，判断市电电压是否正常。市电如果正常，应急电源处于蓄电池充电状态，DSP系统转入执行蓄电池充电子程序；市电如果出现故障（包括电压异常或者市电掉电），DSP就进入应急状态逆变工作子程序，包括逆变子程序和中断子程序等。并且切换开关2和切换开关3闭合，启动蓄电池输出，为负载提供不间断的电力供应。图3为系统主程序流程图。

图4 PI控制程序算法流程图

（2）PID控制及SPWM程序

逆变器的PID控制和DSP产生SPWM程序是本文设计的EPS电源的核心中断子程序之一，也是实现EPS电源由蓄电池组直流供电通过逆变转变为稳定的50 Hz交流电输出的关键环节。它是将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。在这种控制算法中，P能够快速响应控制作用，而I则对偏差进行积累，能最终消除稳态误差，但是如果在整个调节过程中，P和I总是同时起作用则会不可避免带来超调和退饱和，将可能导致系统振荡。因此，本文选择使用了增量式的PI控制算法，并利用了遇限削弱的方法，即控制量一旦进入饱和区范围，则停止增大积分项的运算而之执行削弱积分项的运算[2-3]。PI算法程序流程如图4所示。

TMS320LF2407可以产生16路PWM输出。SPWM波的实现是由三角波和正弦波相比较而得到的，由IGBT的驱动频率得到的周期寄存器T3PR的值，设置DSP计数器的计算方式为连续增/减计数方式，由此得到所需的三角波载波。并设置周期中断有效，当周期中断发生时，在中断处理程序中用A/D采样值与正弦参考值进行PI调节后的值，来更新比较寄存器CMPR3的值，通用定时器的计数器T3CNT将与比较寄存器的值进行比较，就得到了SPWM脉冲波。具体程序流程图如图5所示[4-5]。