基于DSP的在线式UPS数字化控制技术
摘要
近年来，UPS(Uninterruptible Power Supply)电源系统被越来越广泛的使用，对其性能指标的要求也越来越高。除了主功率拓扑以外，UPS的控制部分对其整体性能的影响也是至关重要的，数字化控制技术是当前UPS研究领域的一个热点。
本文首先介绍在线式UPS的基本原理以及逆变器的SPWM调压方法，研究死区对逆变器输出电压的影响及其补偿方法。在分析单相全桥逆变器数学模型的基础上，比较数字PID控制、无差拍控制、重复控制、模糊控制以及神经网络元控制等多种控制方法的优劣；重点研究UPS逆变器的数字PID控制和重复控制，最后提出一种对硬件设备要求低、鲁棒性好、动态响应快的UPS逆变器控制方案。该方案先对输出电压误差进行PI调节，在此基础上引入相当于输出电压微分的电容电流反馈信号构成双环控制，使逆变器输出电压具有良好的静态特性和动态特性。
本文注重理论与工程实际应用的结合，以数字信号处理芯片TMS320F240为核心完成对一台3kVA在线式UPS的控制，取得了良好的控制效果。
Nowadays, with more and more applications of UPS, the requirements for its performance get improved. Except for its main circuit, the control of UPS is very important to achieve perfect performance. The digital control technologies have now become the hotspot on the research of UPS technologies.
This dissertation introduces the principle of the on-line UPS, and the SPWM technology for the UPS inverter is also discussed. The effect of blanking time on the output voltage in PWM inverters and the methods to eliminate it is described. The mathematical model of the single-phase full-bridge inverter is mentioned, and then the efficacy of PID control, deadbeat control, repetitive control, fuzzy control together with neural networks control for the UPS inverter is compared. The PID control and repetitive control for the UPS inverter are mainly focused. Finally, a control scheme which requires ordinary hardware, with good robustness and high dynamic response is presented. In this control scheme, the voltage error is processed by PI algorithms first, and then the current of the capacitor which equal to the differential of the voltage is imported to compose a two-loop control. The inverter with the proposed control scheme achieves nice performance.
To realize the combination of theory and practice, the control of a 3kVA on-line UPS is well finished with the main processor TMS320F240.
本文首先介绍在线式UPS的基本原理以及逆变器的SPWM调压方法，研究死区对逆变器输出电压的影响及其补偿方法。在分析单相全桥逆变器数学模型的基础上，比较数字PID控制、无差拍控制、重复控制、模糊控制以及神经网络元控制等多种控制方法的优劣；重点研究UPS逆变器的数字PID控制和重复控制，最后提出一种对硬件设备要求低、鲁棒性好、动态响应快的UPS逆变器控制方案。该方案先对输出电压误差进行PI调节，在此基础上引入相当于输出电压微分的电容电流反馈信号构成双环控制，使逆变器输出电压具有良好的静态特性和动态特性。
本文注重理论与工程实际应用的结合，以数字信号处理芯片TMS320F240为核心完成对一台3kVA在线式UPS的控制，取得了良好的控制效果。
Nowadays, with more and more applications of UPS, the requirements for its performance get improved. Except for its main circuit, the control of UPS is very important to achieve perfect performance. The digital control technologies have now become the hotspot on the research of UPS technologies.
This dissertation introduces the principle of the on-line UPS, and the SPWM technology for the UPS inverter is also discussed. The effect of blanking time on the output voltage in PWM inverters and the methods to eliminate it is described. The mathematical model of the single-phase full-bridge inverter is mentioned, and then the efficacy of PID control, deadbeat control, repetitive control, fuzzy control together with neural networks control for the UPS inverter is compared. The PID control and repetitive control for the UPS inverter are mainly focused. Finally, a control scheme which requires ordinary hardware, with good robustness and high dynamic response is presented. In this control scheme, the voltage error is processed by PI algorithms first, and then the current of the capacitor which equal to the differential of the voltage is imported to compose a two-loop control. The inverter with the proposed control scheme achieves nice performance.
To realize the combination of theory and practice, the control of a 3kVA on-line UPS is well finished with the main processor TMS320F240.
引文
1. Ying-Yu Tzou, Rong-Shyang Ou, etc. "High-Performance Programmable AC Power Source With Low Harmonic Distortion Using DSP-Based Repetitive Control Technique", IEEE Trans. PE, JULY 1997, pp715-725
2. Seung-Gi Jeong, Min-Ho Park, "The Analysis and Compensation of Dead-Time Effects in PWM Inverters",IEEE Trans. IE, APEIL 1991, ppl08-114
3. Hongying Wu,Dong Lin, etc. "A Current-Mode Control Technique with Instantaneous Inductor-Current Feedback for UPS Inverters", IEEE APEC 2000, pp951-957
4. Zhang Kai, Kang Yong, etc. "Repetitive Waveform Correction Technique for CVCF-SPWM Inverter", IEEE PESC 00, pp153-158
5. Shih-Liang Jung, Hsiang-Sung Huang, etc. "DSP Based Multiple-Loop Control Strategy for Single-Phase Inverters Used in AC Power Sources", IEEE PESC 97, pp706-712
6. B. A. Francis, W. M. Wonhan, "The internal principle for linear multivariable regulators", Appl. Math. Opt, pp 170-194
7. Y. Yamamoto, S. Hara, "The internal model principle and stability of repetitive control systems", Trans. SICE vol. 22, pp830-834
8. M. Fu, Q. Chen, "A DSP based controller for power factor correction (PFC) in a rectifier circuit", IEEE APEC 2001, Volume: 1
9. Xigen Zhou, Zhengming Zhao, etc. "DSP-based fully digital current control for power amplifiers", IPEMC 2000, Volume: 1
10. M.S. Moon, R.W. Johnson, "DSP control of UPS inverter with over-current limit using droop method", PESC 99, Volume: 1
11．侯振义，王义明，《UPS电路分析与维修》，科学出版社，2001年
12．李成章，《智能化UPS供电系统原理与维修》，电子工业出版社，1999年
13．林渭勋，《现代电力电子电路》，浙江大学出版社，2002年
14．林渭勋，《电力电子技术基础》，机械工业出版社，1990年
15．邱关源，《电路》，高等教育出版社，1999年
16．韦巍，《智能控制技术》，机械工业出版社，1999年
17．夏德衿，《自动控制理论》，机械工业出版社，1989年
18．蒋静坪，《计算机实时控制系统》，浙江大学出版社，1992年
19．吕征宇，陈国柱，钱照明，汪槱生，“电力电子中的数字化控制技术”，机电工程，2001年10月
20．肖国春，刘进军，王兆安，“电能质量及其控制技术的研究进展”，电力电子技术，2000年12月
21．谢力华，苏彦民，“正弦波逆变电源的数字控制技术”，电力电子技术，2001年12月
22．高军，“UPS逆变器数字化控制技术的研究”，西安交通大学博士学位论文，2002年
23．言超，“电力电子数字化和网络化的相关问题研究”，浙江大学硕士学位论文，2002年
24．叶浩屹，“1KVA高频在线式UPS的研制”，浙江大学硕士学位论文，2002年
25．林征宇，“基于DSP的功率变换器控制的研究”，浙江大学硕士学位论文，
2000年
26．郑尊标，“数字化智能电源模块研究”，浙江大学硕士学位论文，2001年
2. Seung-Gi Jeong, Min-Ho Park, "The Analysis and Compensation of Dead-Time Effects in PWM Inverters",IEEE Trans. IE, APEIL 1991, ppl08-114
3. Hongying Wu,Dong Lin, etc. "A Current-Mode Control Technique with Instantaneous Inductor-Current Feedback for UPS Inverters", IEEE APEC 2000, pp951-957
4. Zhang Kai, Kang Yong, etc. "Repetitive Waveform Correction Technique for CVCF-SPWM Inverter", IEEE PESC 00, pp153-158
5. Shih-Liang Jung, Hsiang-Sung Huang, etc. "DSP Based Multiple-Loop Control Strategy for Single-Phase Inverters Used in AC Power Sources", IEEE PESC 97, pp706-712
6. B. A. Francis, W. M. Wonhan, "The internal principle for linear multivariable regulators", Appl. Math. Opt, pp 170-194
7. Y. Yamamoto, S. Hara, "The internal model principle and stability of repetitive control systems", Trans. SICE vol. 22, pp830-834
8. M. Fu, Q. Chen, "A DSP based controller for power factor correction (PFC) in a rectifier circuit", IEEE APEC 2001, Volume: 1
9. Xigen Zhou, Zhengming Zhao, etc. "DSP-based fully digital current control for power amplifiers", IPEMC 2000, Volume: 1
10. M.S. Moon, R.W. Johnson, "DSP control of UPS inverter with over-current limit using droop method", PESC 99, Volume: 1
11．侯振义，王义明，《UPS电路分析与维修》，科学出版社，2001年
12．李成章，《智能化UPS供电系统原理与维修》，电子工业出版社，1999年
13．林渭勋，《现代电力电子电路》，浙江大学出版社，2002年
14．林渭勋，《电力电子技术基础》，机械工业出版社，1990年
15．邱关源，《电路》，高等教育出版社，1999年
16．韦巍，《智能控制技术》，机械工业出版社，1999年
17．夏德衿，《自动控制理论》，机械工业出版社，1989年
18．蒋静坪，《计算机实时控制系统》，浙江大学出版社，1992年
19．吕征宇，陈国柱，钱照明，汪槱生，“电力电子中的数字化控制技术”，机电工程，2001年10月
20．肖国春，刘进军，王兆安，“电能质量及其控制技术的研究进展”，电力电子技术，2000年12月
21．谢力华，苏彦民，“正弦波逆变电源的数字控制技术”，电力电子技术，2001年12月
22．高军，“UPS逆变器数字化控制技术的研究”，西安交通大学博士学位论文，2002年
23．言超，“电力电子数字化和网络化的相关问题研究”，浙江大学硕士学位论文，2002年
24．叶浩屹，“1KVA高频在线式UPS的研制”，浙江大学硕士学位论文，2002年
25．林征宇，“基于DSP的功率变换器控制的研究”，浙江大学硕士学位论文，
2000年
26．郑尊标，“数字化智能电源模块研究”，浙江大学硕士学位论文，2001年