基于TMS320LF2407A的数字化UPS设计与实现

1引言

随着信息技术的发展，不间断应急电源（UPS）得到愈来愈广泛的应用。高性能数字信号处理（DSP）芯片的出现和控制理论的普遍发展，使逆变电源系统朝着全数字化、智能化及网络化方向发展。

这里给出了一种基于TMS320LF2407A的UPS总体设计，通过分析系统各主要功能组成模块，给出了主控制模块、信号检测及控制模块、系统工作电源及逆变驱动模块的功能结构图及部分硬件电路设计；此外，设计了系统控制软件主程序流程，将实时操作系统μC/OS-II用于UPS软件设计中，提高了系统的可靠性和实时性。根据设计制作出3.75 kVA的数字化UPS样机，样机实际测试运行结果验证了各设计的有效性与可行性。

2数字化UPS系统总体设计

图1所示数字化UPS系统采用TMS320LF2407A作为主控芯片，主要功能模块由主控制模块、信号检测模块、逆变器驱动模块、电池充电管理模块等组成。图1虚线框内为UPS系统主控制模块，包括A/D转换、锁相控制、PWM信号输出、RS-485通信、键盘及液晶显示、保护控制、实时时钟和CAN通信接口（为并机通信保留）等子模块。

按照各电路功能特点，根据将功能相近电路组织在一起的原则将整个UPS系统化分为5个独立功能单元，如图2所示。

3数字化UPS系统功能模块设计

3.1主控制板功能结构设计

主控制板功能组成包括数据采集ADC端口、PWM产生与调整电路、旁路状态转换电路、LCD显示电路、键盘扫描电路，通信接口电路、逻辑保护控制电路、时钟、日历电路等。

A/D转换完成对市电输入的交流电压和电流信号、逆变输出的交流电压和电流信号、电池电压和电流信号的采样。根据LF2407A A/D转换电平要求，被采样信号必须通过信号检测模块变换为0～3 V直流电平。为提高系统性能，对输入/输出电压、电流进行瞬时值采样，采样频率为10 kHz。

时钟电路利用串行外设接口SPI实现与控制器LF2407A的通信，为整个系统提供统一、标准的时钟基准，便于系统管理；另外，利用时钟芯片的存储器来存储系统掉电保护参数。

键盘及液晶显示向用户提供人机对话平台。为简化硬件电路设计，利用EDA技术，使用CPLD器件实现键盘扫描、地址译码、时序转换及其他控制逻辑，将其与主控制器结合，一起控制液晶显示器；同时还可实现UPS系统保护检测功能。

通信接口实现对UPS实时监控，主机需对UPS电源的各模拟参量采样数据及表示工作状态的开关量数据进行实时高速采集。利用LF2407A的SCI异步通讯接口，采用RS鄄485物理标准协议，实现UPS与主机的远程通讯，以便主机对UPS的设备状态、各项参数及故障信息进行查询。

3.2信号检测及控制执行板功能结构设计

信号检测及控制执行板功能组成包括信号采集与转换电路、控制信号执行电路、系统故障检测电路等。UPS系统在运行过程中，当出现直流母线过流、逆变器温度过高和系统输出短路时，应能及时检测到并做出相应的保护动作。

3.3工作电源及逆变驱动板功能结构设计

作为一个完整的电源系统，UPS除主控制电路工作电源外还有许多辅助电源、逆变驱动供电电路等为之工作。UPS逆变桥直接与高压直流母线相连，从控制器送出的逆变脉宽调制波不能直接驱动IGBT。为降低开发成本，设计了以下驱动模块。图3示出驱动电路隔离电源电路，电源输出送入高频升压变压器T3，变压器次级由二极管VD24，VD25、稳压管ZD4，ZD5和电容C31，C34等组成半波整流稳压电路，从而得到+12V和±15V的电压。

图4示出PWM驱动放大电路，U5D，U6A，VQ23～VQ25和VQ28，VQ29组成了PWM信号放大电路；VQ26和VQ27组成了IGBT逆变驱动电路。图5示出逆变驱动保护电路，TL431为比较器U5A～U5C提供稳定的2.5 V基准电平。U5A与U5C组成驱动欠压保护，U5A与U5B组成IGBT直通保护。

4数字化UPS软件设计

图6示出控制软件系统主程序流程。为提高系统的可靠性和实时性，将实时操作系统μC/OS-II用于数字化UPS软件设计，将UPS系统功能细化为几个核心任务，由μC/OS-II实时内核进行调度，实现多任务的并行执行。系统功能设计为3个层次：最底层为硬件平台DSP系统及相关应用电路；第2层为任务层，包含电路驱动程序和应用程序；最高层为μC/OS-II操作系统层，是整个系统的管理核心。

实现uC/OS-II的移植，主要改写以下3个文件：①OS_CPU.H文件包括定义数据类型、代码值界区的中断控制、堆栈增长方向变量、任务切换函数定义和变量声明。TMS320LF2407A的堆栈数据类型定义为typedef unsigned int OS_STK，所有的堆栈都必须用OS_STK声明，堆栈地址由高向低递减，OS_STK_GROWTH设置为1。②OS_CPU_A.ASM文件中需改写函数OSStartHighRdy（），OSCtxSw（）和OSIntCtxSw（）。OSStartHighRdy（）函数由OSstart（）函数调用，其功能是运行优先级最高的就绪任务。OSCtxSw（）函数是1个任务级的任务切换函数，软中断向量指向此函数。OSIntCtxSw（）函数与OSCtxSw（）函数类似，不同的是，OSIntCtxSw（）函数进行中断级任务切换，若需进行任务切换，则调用OSIntCtxSw（）。③OS_CPU_C.C文件中只需修改OSTaskStkInit（）函数，用来初始化任务的堆栈。OSTaskStkInit（）与调用它的函数有3个参数（任务代码起始地址、参数指针、任务堆栈顶地址）进行传递。

系统主程序框架如下：

5样机测试

综合前述设计，成功研制了一台3.75 kVA三相UPS样机，该样机部分实际测试运行情况如下。

（1）市电输入380 V，负载变化输出相电压稳定度（220±1%）V，U相频率稳定度（50±0.4%）Hz，波形失真度小于2%，其他两相与U相基本相同，任何两相相位差120°±1°。图7为空载与满载时的逆变输出波形。

（2）逆变运行突加、突卸额定负载时输出电压突加3750W炉丝时，逆变输出电压跌至370V，突卸时升至395 V，两个市电周期（40 ms）后恢复三相380 V；突加3 kW灯泡时，逆变输出电压跌落至350 V，突卸时升至422 V，40 ms后恢复三相380 V。

图8为负载突变时的逆变输出波形。由图8a可见，突加负载过程中，U相逆变输出电压波形拉低，但不超过40 ms即恢复正常输出电压；由图8b可见，负载突卸过程中，U相逆变输出电压出现过冲现象，经程序控制调整，逆变输出不超过40 ms即恢复正常输出电压。

（3）市电逆变互切，切换时间及可靠性测试

市电输入384 V，电池电压490 V，3.75 kW额定负载运行，市电断电或按下“强起”按钮，逆变器带负载正常启动，启动时间约60 ms。经多次反复试验，市电、逆变切换时间均小于120 ms。图9示出市电到逆变的切换波形，切换时间约60 ms，波形经检测变压器隔离降压；市电来电，逆变器即停止工作。

（4）逆变应急长时间工作，输出电压情况测试与系统稳定性验证

电池在513 V开始放电，带3.75 kW炉丝额定负载，运行约80 min，IGBT及散热器温度始终低于32℃，环境温度为14℃，系统工作正常且稳定，测试参数如表1所示。

6结论

给出了一种基于DSP TMS320LF2407A的数字化UPS系统的总体设计，通过分析了系统各主要功能组成，给出了主控制板、信号检测及控制执行板、工作电源及逆变驱动板的功能结构图和部分硬件电路设计，结合实时操作系统μC/OS-II的软件设计，提高了系统的实时性。样机实际测试运行结果表明各设计有效且可行。该设计具有一定的通用性，可为数字化UPS系统设计提供参考。