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電源:數(shù)字化控制UPS中電池電壓的檢測(cè)方法

作者: 時(shí)間:2012-08-09 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

1. 引言

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/176502.htm

隨著用電設(shè)備對(duì)系統(tǒng)可靠性要求的進(jìn)一步提高,能夠獲得持續(xù)、穩(wěn)定的純凈得到了越來(lái)越廣泛的使用。在線式工作原理圖如圖1(a)所示,當(dāng)市電供電正常時(shí),市電一方面經(jīng)充電器給蓄充電,另一方面經(jīng)整流器變成直流后送至變壓器,經(jīng)逆變器變換成高質(zhì)量的交流電供給負(fù)載;當(dāng)無(wú)市電或市電供電異常時(shí),由蓄通過(guò)逆變器向負(fù)載提供電能,保證負(fù)載供電不間斷,此時(shí)將完全依靠?jī)?chǔ)存在蓄中的能量來(lái)維持其逆變器的正常工作。因此,正確、及時(shí)地出蓄電池的狀態(tài)就成了UPS系統(tǒng)可靠運(yùn)行的一個(gè)必不可少的組成部分[1,2]。

技術(shù)在UPS中的應(yīng)用日益廣泛[3]。在DSP的UPS中,為了提高系統(tǒng)可靠性,電路和包括蓄電池在內(nèi)的主功率電路必須是隔離的,如圖1(b)所示,因此DSP必須對(duì)電池進(jìn)行隔離采樣[1]。隔離可以在數(shù)字量或模擬量端口實(shí)現(xiàn),結(jié)構(gòu)框圖分別如圖2(a)和圖2(b)所示。

電源:數(shù)字化控制UPS中電池電壓的檢測(cè)方法

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圖1 在線式UPS的原理框圖 (a)結(jié)構(gòu)框圖 (b)電氣隔離原理框圖

2.電池

2.1 數(shù)字量隔離

參考圖2(a),先將電池電壓經(jīng)摸數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,經(jīng)隔離后再送入DSP。這種方案中,被隔離的是只具有高低電平的數(shù)字信號(hào),一般的高速光電耦合器即可滿足要求。但是由于ADC與DSP相連的每根信號(hào)線都需加以隔離,并行ADC雖然可以獲得較快的傳輸速度,但并行輸出的特點(diǎn)決定了其隔離電路的復(fù)雜性,從系統(tǒng)的簡(jiǎn)單性考慮,宜選用串行ADC來(lái)實(shí)現(xiàn)。

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該方案的電路實(shí)現(xiàn)原理框圖如圖3所示,回路主要由串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC, 高速光耦和TMS320F240的同步通信接口SPI口組成,通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換,模擬輸入量電池電壓被轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)以適應(yīng)DSP的同步通信接口SPI的傳輸要求。電池電壓的采樣是用MAXIM公司生產(chǎn)的串行A/D轉(zhuǎn)換器MAX189實(shí)現(xiàn)的,MAX189是+5V、低功耗的12位串行ADC,電池電壓E經(jīng)分壓后送入MA189的模擬電壓輸入引腳AIN,在SPI口的同步時(shí)鐘控制下被轉(zhuǎn)化成串行數(shù)據(jù)輸出,DSP通過(guò)讀取SPISOMI寄存器即得到采樣電壓的值。

圖4(a)為MAX189的工作時(shí)序,CS為高電平時(shí),輸出引腳Dout為高阻狀態(tài),CS引腳的下跳沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。應(yīng)用中將DSP的同步通信SPI口設(shè)置為主工作方式,SPISTE引腳設(shè)置為通用I/O口,將SPISTE引腳的信號(hào)線經(jīng)隔離后與MAX189的CS引腳相連,通過(guò)軟件中改變SPISTE的電平狀態(tài)來(lái)決定A/D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)或停止,從而控制采樣的具體時(shí)間。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后,Dout從高阻態(tài)跳變?yōu)楦唠娖?,Dout的上升沿表明A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)束,在此之后即可讀取A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。因MAX189是12位的串行數(shù)據(jù)輸出,而TMS320F240的SPI通信口每次至多可以傳輸8個(gè)數(shù)據(jù)位,故一次采樣結(jié)果須分兩次進(jìn)行接收。

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圖4 A/D和DSP的工作時(shí)序

(a)MAX189工作時(shí)序  (b)SPI口的工作時(shí)

需要注意的是,TMS320F240的SPI通信口提供了四種工作時(shí)序[2],如圖4(b)所示,實(shí)驗(yàn)中應(yīng)根據(jù)MAX189的工作方式對(duì)SPI口的時(shí)序進(jìn)行適當(dāng)選擇。

2.2 模擬量隔離

參考圖2(b),該方案是在A/D轉(zhuǎn)換之前進(jìn)行隔離,即先將電池電壓分壓隔離后再送入ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因?yàn)楸桓綦x的信號(hào)是模擬量,隔離前后的信號(hào)必須成線性關(guān)系,可以選用精度較高的線性光耦實(shí)現(xiàn)。此處采用HCNR200線性光耦。

HCNR200線性光耦合器是由一個(gè)紅外光LED照射分叉配置的一個(gè)隔離反饋二極管和一個(gè)輸出光二極管組成,如圖5(a)。LED的光通量決定流經(jīng)兩個(gè)二極管的電流的大小。由于HCNR200內(nèi)部特殊的制造工藝,在一定的輸入電流范圍里,它的電流傳輸比保持不變,輸出光二極管產(chǎn)生的電流信號(hào)與反饋光二極管產(chǎn)生的電流信號(hào)成線性比例關(guān)系。由圖5(b):

(1)

(2)

式(1)、(2)中

分別為隔離反饋二極管和輸出二極管的電流,

為電池電壓經(jīng)分壓后的值,

為輸出結(jié)果,送到TMS320F240的A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量以供CPU的處理。

根據(jù)式(1)、(2),輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系表達(dá)式如下:

(3)

式(3)中

為電流傳輸比,HCNR200的K約為0.85—1.25

圖5(b)中Q1,R3,R4,R5,R6構(gòu)成了LED的驅(qū)動(dòng)回路,因Q1的放大作用,使得在輸入電壓較小的情況下,LED的電流不致于太小。該驅(qū)動(dòng)回路的加入提高了系統(tǒng)的增益,保證了低輸入電壓情況下光耦的線性度。


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