基于DSP技術(shù)的雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制器的設(shè)計(jì)

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們對(duì)供電連續(xù)性、可靠性的要求越來(lái)越高，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50052《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，一級(jí)負(fù)荷與二級(jí)負(fù)荷要求由兩路電源供電，且對(duì)于一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷，除要求兩路電源外，還必須增設(shè)應(yīng)急電源，嚴(yán)禁將其他負(fù)荷接入應(yīng)急供電系統(tǒng)，雙電源供電系統(tǒng)已經(jīng)成為重要場(chǎng)合必須配備的裝置。

通過(guò)對(duì)雙電源供電系統(tǒng)的市場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，70％的故障出在控制器，控制器質(zhì)量的好壞直接影響到系統(tǒng)的性能。目前市場(chǎng)上的雙電源供電系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制，處理速度慢、精度低、實(shí)時(shí)性差；高性能控制器主要依賴(lài)進(jìn)口，但國(guó)外供電標(biāo)準(zhǔn)、供電環(huán)境與國(guó)內(nèi)有差異，國(guó)外的雙電源系統(tǒng)不能最大程度地體現(xiàn)其優(yōu)越性能，價(jià)格昂貴，性?xún)r(jià)比低。

目前市場(chǎng)上的雙電源供電系統(tǒng)基本為兩進(jìn)線系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，通過(guò)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)常用電源和備用電路的控制。

1 控制器系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)方案采用TI公司的TMS320F2812芯片作為控制核心，通過(guò)信號(hào)采集和處理電路對(duì)常用和備用兩路電源的電壓及頻率狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)繼電器回路進(jìn)行兩路電源的切換，并將實(shí)時(shí)信息通過(guò)人機(jī)交互單元進(jìn)行顯示，該控制器還通過(guò)CAN總線、RS485總線實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程機(jī)的通訊，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，控制器系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)與仿真

信號(hào)調(diào)理電路主要完成信號(hào)采集和信號(hào)處理，包含信號(hào)采集電路、全波整流電路、二階有源低通濾波電路三個(gè)部分。其中信號(hào)采集電路將常用電源和備用電源的220V交流電壓轉(zhuǎn)換為0～3V的交流信號(hào)；全波整流電路對(duì)弱交流信號(hào)進(jìn)行全波整流，得到全波整流信號(hào)；二階有源低通濾波電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)的濾波，將基波在內(nèi)的高次諧波進(jìn)行濾除，得到全波信號(hào)的直流分量，通過(guò)直流分量與有效值的關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)電源電壓的測(cè)量。

2．1 信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)

信號(hào)采集電路主要實(shí)現(xiàn)將常用電源和備用電源的220V交流電壓轉(zhuǎn)換為弱電壓信號(hào)，系統(tǒng)是采用電流型電壓互感器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，交流電壓信號(hào)采集電路圖如圖3所示。

2．2 全波整流電路的設(shè)計(jì)

(1)全波整流電路的設(shè)計(jì)。全波整流電路由正半波整流電路和反相器構(gòu)成，如圖4所示。

其中由運(yùn)放器U1A、二極管D1、D2和電阻R1、R2構(gòu)成了正半波整流電路。當(dāng)輸入信號(hào)源Vin處于正半周時(shí)，二極管D1導(dǎo)通，D2截止，運(yùn)算放大器U1A工作在閉環(huán)狀態(tài)，則由電阻R3、R4、R5和運(yùn)放器U1C構(gòu)成的加法器輸出為：

令R1=R2=R3=R4=2R5，則總的輸出電壓為Vout=Vin，顯然當(dāng)Vin為負(fù)半周時(shí)，二極管D1截止，D2導(dǎo)通，輸出Va=0=0，總輸出為Vout=-Vin，由以上分析可知Vout=|Vin|。

(2)全波整流電路的仿真。將圖5所示的電路在NiMultism 11環(huán)境中進(jìn)行仿真，其中Vin為50Hz、1Vpk的交流激勵(lì)信號(hào)，接入虛擬示波器后，得出的仿真結(jié)果如圖5所示。圖中，Channel A波形為Vin的波形圖，Channel B波形為Vout的波形圖。

從仿真結(jié)果中可以看到，Vout的幅值為1Vpk，頻率為100Hz，沒(méi)有信號(hào)失真現(xiàn)象，效果好，較好地得到了交流激勵(lì)信號(hào)的全波整流波形，實(shí)現(xiàn)了全波整流。

(3)全波整流電路信號(hào)分析。假設(shè)交流激勵(lì)信號(hào)為Vin=Ecos(ω0t)，則交流激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過(guò)全波整流電路所得到的信號(hào)為Vout=E|cos(ω0t)|，Vout進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)，則有：

由上式可見(jiàn)，Vout由直流分量Vd和周期分量Vp兩部分組成。

其中Vd又稱(chēng)為直流分量，為

周期全波余弦信號(hào)的有效值為

信號(hào)的直流分量Vd與有效值V的關(guān)系為

可以看出，信號(hào)的有效值完全可以通過(guò)信號(hào)的直流分量計(jì)算得出，因此在對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理時(shí)，將信號(hào)的周期分量濾除，只留下直流分量，通過(guò)軟件計(jì)算得出信號(hào)的有效值。

2．3 二階有源低通濾波器的設(shè)計(jì)

二階有源低通濾波器的電路如圖6所示。

(1)二階有源低通濾波器系統(tǒng)傳遞函數(shù)。令圖中R1=R2=R，C1=C2=C，則系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為

(2)二階有源低通濾波器的仿真結(jié)果。將圖6所示的二階濾波電路在Ni Multisim 11環(huán)境下進(jìn)行仿真，令R1=R2=47k，C1=C2=0．22 μf，輸入為1Vpk的全波余弦信號(hào)，得出該濾波電路的幅頻響應(yīng)與輸出信號(hào)的波形圖分別如圖7、圖8所示。

通過(guò)圖7可以看出，若周期全波余弦信號(hào)的基波頻率為100Hz時(shí)，幅值衰減33dB，基本可以忽略，其三次和高次諧波基本衰減為零。

從圖8中可以看到，峰值為1．1V的周期全波余弦信號(hào)經(jīng)二階有源濾波電路濾波后，只剩下幅值為0．694V的直流分量，濾除效果較好，實(shí)現(xiàn)了對(duì)周期全波余弦信號(hào)的濾波。

3 軟件設(shè)計(jì)

電壓檢測(cè)通過(guò)DSP2812的片內(nèi)外設(shè)A／D單元完成，實(shí)時(shí)檢測(cè)常用電源和備用電源的電壓值，并將測(cè)得的電壓有效值送給液晶顯示、通訊模塊及故障處理模塊進(jìn)行處理。

3．1 DSP2812的A／D單元的工作原理

DSP2812的A／D單元共有16個(gè)轉(zhuǎn)換通道，可采集0～3V的電壓信號(hào)，可設(shè)置為軟件觸發(fā)或EV中的事件源觸發(fā)A／D轉(zhuǎn)換，當(dāng)A／D單元接收到觸發(fā)信號(hào)時(shí)，自動(dòng)開(kāi)始模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果自動(dòng)存入結(jié)果寄存器ADCRESULT中，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)到來(lái)時(shí)，進(jìn)入ADCINT中斷服務(wù)程序進(jìn)行相應(yīng)處理。

3．2 電壓檢測(cè)流程

本系統(tǒng)中，設(shè)置ADCINB3通道作為系統(tǒng)A／D采樣的通道，EV模塊的通用定時(shí)器GP Timer3的周期中斷作為A／D轉(zhuǎn)換的觸發(fā)信號(hào)，每當(dāng)觸發(fā)信號(hào)SOC(Start of Convert)到來(lái)時(shí)，A／D開(kāi)始轉(zhuǎn)換；當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC(End of Convert)到來(lái)時(shí)，進(jìn)入A／D中斷服務(wù)程序，對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行有效值計(jì)算，并利用混合濾波算法對(duì)有效值進(jìn)行數(shù)字濾波，得出理想的電壓有效值。

ADC單元的中斷服務(wù)程序如下所示：

4 硬件測(cè)試與分析

通過(guò)Tektronix的TDS2012B數(shù)字示波器對(duì)電路進(jìn)行實(shí)測(cè)，其中測(cè)得的全波整流信號(hào)波形和二階有源濾波器波形如圖9、圖10所示。

(1)通過(guò)圖9與圖5全波整流信號(hào)仿真圖比較可以看出，仿真波形與實(shí)測(cè)波形吻合，實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了硬件電路中全波整流電路模塊設(shè)計(jì)的正確性。

(2)通過(guò)圖10與圖8二階有源濾波信號(hào)的仿真圖比較可以看出，仿真圖與實(shí)測(cè)圖吻合，實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了硬件電路中二階有源低通濾波電路模塊設(shè)計(jì)的正確性。

經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后的信號(hào)通過(guò)DSP2812的片內(nèi)AD轉(zhuǎn)換后，得出該信號(hào)的電壓有效值為1．43V，驗(yàn)證了該模塊軟件設(shè)計(jì)的正確性，在CCS環(huán)境中進(jìn)行在線調(diào)試，電壓測(cè)試結(jié)果如圖11所示。

通過(guò)軟件調(diào)試結(jié)果可以看出，軟件測(cè)試、硬件測(cè)試結(jié)果均與系統(tǒng)仿真結(jié)果相同，驗(yàn)證了系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計(jì)正確性。