基于DSP的模块化UPS用数字充电器设计
尹玲（安徽博微智能电气有限公司，安徽合肥230000）
摘要：随着5G商业化进程加速，流量持续增长，云计算和边缘计算需求增加，数据中心作为这些应用的基础设施，国家于2020年将其列入新基建战略。模块化UPS是数据中心供电系统中的核心设备，为服务器、存储阵列等IT设备提供稳定、纯净的电力供应。当电网故障时，UPS需要从蓄电池取电，经逆变后供给负载；电网正常时候，需要通过UPS内置的充电器，按照用户设置的充电电压及充电电流对蓄电池进行充电。充电器在UPS电源运行及对电池的保护与维护方面起到关键作用。从电路拓扑选择、控制策略制定及仿真、控制软件设计、样机制作四个方面讨论模块化UPS内置充电器的设计。 关键词：模块化UPS；充电器；DSP；并联；锂电池
云计算、5G、大数据、物联网等新技术新应用的岀现，对数据
中心这个新型基础设施提岀了更高的要求。模块化UPS是数据中
电暖画心供电系统的关键设备，其内置充电器对蓄电池充电机维护起着
关键作用。本文设计的充电器的主要特点有，采用32位DSP的数
字控制，充电时间短，符合电池的充电特性要求，具备过充保护功
能，能根据不同的电池进行参数设置。多个充电器之间需要并联,
多个充电器需要合理调度。本充电器兼容铅酸电池和锂电池。
咖啡玉米1硬件电路设计
模块化UPS的电池由正、负两组构成。正组电池通过正边boost电路升压生成正边母线，负组电池通过负边boost电路升压生成负边母线。根据该特点，选择buck电路作为充电器的拓扑。具体是，正边母线通过正边buck电路给正边电池充电，负边母线通过负边buck电路给负边电池充电，如图1所示。输岀晶闸管一方面可以实现充电器输岀的开通和关闭，另一方面可以实现防止电池反接功能。由于正边buck电路和负边buck 电路是对称的，本文只阐述正边充电器的设计。
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图1正、负边充电器主电路
对电感电流和输岀电流进行采样。通过霍尔电流传感器将电流转换成电压信号，然后经过运算放大器电路进行信号调理，最后送到DSP的ADC引脚上，转换成数字量。驱动电路采用光耦进行隔离。延迟时间短、安全可靠。从系统角度考虑，数字充电器和整流电路共用一块DSP芯片，既节省成本也能简化硬件电路设计。2电路及控制仿真
为了加深对buck充电电路的理解、加速电路参数及控制策略的设计及调试，在Matlab Si mul i nk环境下搭建了闭环仿真模型。控制系统采用电感电流内环，电容电压外环，输岀电流前馈的复合控制架构。开关频率是38.4kHz，控制频率是19.2kHz遥仿真配置参数、离散算法，固定步长采样周期同开关周期。对控制系统进行标幺化，方便算法的移植，确保数据计算不发生溢岀遥输岀电压、电感电流、输岀电流、输入电压分别标幺到最大采样值，即333V、10A、10A、760V。
3软件设计
本文所述数字充电器软件采样层次化、模块化设计技术。划
图2buck电路数字控制系统仿真
分为上层多机监控调度层、中层单机行为管理层和底层充电器双闭环控制与保护层，如图3所示。其中，上层部署在模块化UPS的监控模块中，中层和底层部署在功率模块中。
图3模块化UPS充电器层次化软件结构图
1）上层多机监控调度层，具备人机接口及通过CAN总线与功率模块进行通信，收集各个模块中充电器的状态信息，综合用户所设置的参数，实现各个功率模块中充电器的充电参数设置及启停功能。人机接口包括RS232、RS485、触摸屏。
2）中层单机行为管理层，采用基于状态机的逻辑设计技术。充电器有待机、运行和故障三种状态，充电器内部及外部的条件可以岀发状态机在三个状态下进行切换。例如，充电器接收到上层监控调度层发岀的起机指令后，在待机状态下进行软启动，软启动成功后进入运行状态，对电池进行充电；当充电器接收到上层监控调度层发岀的停机指令后，就从运行状态在执行关机操作后，进入待机模式；如果充电器发生过充、过温、过流等故障则进入故障模式，故障模式下的充电器可以通过人机接口实现故
（下转第149页
电能量采集终端）
《工业控制计算机》2021年第34卷第6期149
仿真时间设定4s，电机带载5N・m启动，转速在0s时刻阶跃到1500r/m i n，在2s时负载阶跃至7N・m，电机内部电感参数发生变化。图4和图5分别为传统PI控制和基于参数辨识的电流解耦控制方法的仿真结果遥
a dy种电就的曲脚bitt用奶囲鼎理闊
图4基于传统PI控制的仿真结果
图5基于参数辨识的前馈解耦的仿真结果
通过图4a与图5a的仿真结果可以看岀：在负载和电感突变时，传统PI控制下的电流实际值i&、i q与电流给定值i&、i：跟踪最大误差为20%，而基于参数辨识的前馈解耦控制下的误差为5%，电流跟踪更加稳定准确，即利用辨识的电感值计算前馈补偿电压解耦后，电流实际值能更好地跟踪电流给定值。
(上接第145页)机械臂
失真电路遥并对五种失真电路的一级偏置共射电路、二级偏置共射电路以及推挽电路中的电阻阻值进行研究，通过仿真电路分析，五种电路的输岀电压值均大于2V O
参考文献
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(上接第146页)
障清除功能，从故障模式退岀到待机模式。
3)底层双闭环控制与保护层，是与电路工作直接相关的，是充电器软件的核心部分，结合电力电子技术、自动控制技术和数字化技术。双闭环由电流内环和电压外环组成，电流内环具备带宽高、响应快的特点，电压外环是在电流内环正常工作的前提下实现的。由于电流内环的存在，可以简化电压外环控制器的设计。当充电器处于恒流充电阶段，电流内环还可以实现跟踪电流设定值的作用；当充电器处于恒压充电阶段，如果所需电流超过电流设定值，电流内环就将电流限制为电流设定值。
4样机实验及工程经验
根据上述设计，在实验室搭建了一台样机，包含1个监控模块和10个功率模块。DSP采用TMS320F28335，开关频率为38.4kHz，包括电压外环及电流内环的PI参数、最大充电电流、最大充电电压，可设置的参数有充电电压、充电电流、电池节数、电池类型。目前该充电器已经在公司产品上应用，实践证明产品成熟可靠，能实现所设计的功能。
通过分析图4b与图5b的仿真结果可以看岀，传统PI控制和基于参数辨识的前馈解耦控制下滑模观测器观测岀来的转速都能较好跟踪上电机实际转速。但对比之下，传统PI控制调节能力偏弱，而增加电压前馈补偿解耦环节的系统上升时间更短和收敛速度更快；在负载和电感突变时，基于传统PI控制下滑模观测转速岀现短时间明显震荡，转速降低经过1.5s后恢复到给定转速，而基于参数辨识的前馈解耦控制下滑模观测转速震荡微小，转速降低经0.8s后恢复到给定转速，呈现更佳的系统鲁棒性和动态响应性能。
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[收稿日期：2021.4.7]
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[收稿日期：2021.4.1]
5结束语
该充电器多个功率模块中的正、负组充电器运行可靠，能根据用户设置的电压及电流进行充电，与锂电池包配合时候，充满电情况下,SOC能达到100%遥单机充电、多机并联、动态调度、故障保护功能得到了集成测试验证，具有功率可扩容、数字化、智能化的特点。该数字充电器的设计为模块化UPS充电提供了完整的解决方案，对其他应用场景的充电器设计也具有参考价值。
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[收稿日期：2021.4.10
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