基于DSP技术的双电源自动转换控制器的设计

0 引言

随着国民经济的迅速发展，人们对供电连续性、可靠性的要求越来越高，按国家标准GB50052《供配电系统设计规范》规定，一级负荷与二级负荷要求由两路电源供电，且对于一级负荷中特别重要的负荷，除要求两路电源外，还必须增设应急电源，严禁将其他负荷接入应急供电系统，双电源供电系统已经成为重要场合必须配备的装置。

通过对双电源供电系统的市场调研发现，70％的故障出在控制器，控制器质量的好坏直接影响到系统的性能。目前市场上的双电源供电系统主要由单片机控制，处理速度慢、精度低、实时性差；高性能控制器主要依赖进口，但国外供电标准、供电环境与国内有差异，国外的双电源系统不能最大程度地体现其优越性能，价格昂贵，性价比低。

目前市场上的双电源供电系统基本为两进线系统，结构图如图1所示，通过控制器实现对常用电源和备用电路的控制。

1 控制器系统总体结构

本设计方案采用TI公司的TMS320F2812芯片作为控制核心，通过信号采集和处理电路对常用和备用两路电源的电压及频率状态进行检测，通过继电器回路进行两路电源的切换，并将实时信息通过人机交互单元进行显示，该控制器还通过CAN总线、RS485总线实现与远程机的通讯，从而实现远程监控，控制器系统的总体结构如图2所示。

2 信号调理电路的设计与仿真

信号调理电路主要完成信号采集和信号处理，包含信号采集电路、全波整流电路、二阶有源低通滤波电路三个部分。其中信号采集电路将常用电源和备用电源的220V交流电压转换为0～3V的交流信号；全波整流电路对弱交流信号进行全波整流，得到全波整流信号；二阶有源低通滤波电路实现信号的滤波，将基波在内的高次谐波进行滤除，得到全波信号的直流分量，通过直流分量与有效值的关系实现对电源电压的测量。

2．1 信号采集电路的设计

信号采集电路主要实现将常用电源和备用电源的220V交流电压转换为弱电压信号，系统是采用电流型电压互感器设计实现的，交流电压信号采集电路图如图3所示。

2．2 全波整流电路的设计

(1)全波整流电路的设计。全波整流电路由正半波整流电路和反相器构成，如图4所示。

其中由运放器U1A、二极管D1、D2和电阻R1、R2构成了正半波整流电路。当输入信号源Vin处于正半周时，二极管D1导通，D2截止，运算放大器U1A工作在闭环状态，则由电阻R3、R4、R5和运放器U1C构成的加法器输出为：

令R1=R2=R3=R4=2R5，则总的输出电压为Vout=Vin，显然当Vin为负半周时，二极管D1截止，D2导通，输出Va=0=0，总输出为Vout=-Vin，由以上分析可知Vout=|Vin|。

(2)全波整流电路的仿真。将图5所示的电路在NiMultism 11环境中进行仿真，其中Vin为50Hz、1Vpk的交流激励信号，接入虚拟示波器后，得出的仿真结果如图5所示。图中，Channel A波形为Vin的波形图，Channel B波形为Vout的波形图。

从仿真结果中可以看到，Vout的幅值为1Vpk，频率为100Hz，没有信号失真现象，效果好，较好地得到了交流激励信号的全波整流波形，实现了全波整流。

(3)全波整流电路信号分析。假设交流激励信号为Vin=Ecos(ω0t)，则交流激励信号经过全波整流电路所得到的信号为Vout=E|cos(ω0t)|，Vout进行傅里叶级数展开，则有：

由上式可见，Vout由直流分量Vd和周期分量Vp两部分组成。

其中Vd又称为直流分量，为

周期全波余弦信号的有效值为

信号的直流分量Vd与有效值V的关系为

可以看出，信号的有效值完全可以通过信号的直流分量计算得出，因此在对信号进行滤波处理时，将信号的周期分量滤除，只留下直流分量，通过软件计算得出信号的有效值。

2．3 二阶有源低通滤波器的设计

二阶有源低通滤波器的电路如图6所示。

(1)二阶有源低通滤波器系统传递函数。令图中R1=R2=R，C1=C2=C，则系统的传递函数为

(2)二阶有源低通滤波器的仿真结果。将图6所示的二阶滤波电路在Ni Multisim 11环境下进行仿真，令R1=R2=47k，C1=C2=0．22 μf，输入为1Vpk的全波余弦信号，得出该滤波电路的幅频响应与输出信号的波形图分别如图7、图8所示。

通过图7可以看出，若周期全波余弦信号的基波频率为100Hz时，幅值衰减33dB，基本可以忽略，其三次和高次谐波基本衰减为零。

从图8中可以看到，峰值为1．1V的周期全波余弦信号经二阶有源滤波电路滤波后，只剩下幅值为0．694V的直流分量，滤除效果较好，实现了对周期全波余弦信号的滤波。

3 软件设计

电压检测通过DSP2812的片内外设A／D单元完成，实时检测常用电源和备用电源的电压值，并将测得的电压有效值送给液晶显示、通讯模块及故障处理模块进行处理。

3．1 DSP2812的A／D单元的工作原理

DSP2812的A／D单元共有16个转换通道，可采集0～3V的电压信号，可设置为软件触发或EV中的事件源触发A／D转换，当A／D单元接收到触发信号时，自动开始模数转换，并将转换结果自动存入结果寄存器ADCRESULT中，当转换结束信号到来时，进入ADCINT中断服务程序进行相应处理。

3．2 电压检测流程

本系统中，设置ADCINB3通道作为系统A／D采样的通道，EV模块的通用定时器GP Timer3的周期中断作为A／D转换的触发信号，每当触发信号SOC(Start of Convert)到来时，A／D开始转换；当转换结束信号EOC(End of Convert)到来时，进入A／D中断服务程序，对转换结果进行有效值计算，并利用混合滤波算法对有效值进行数字滤波，得出理想的电压有效值。

ADC单元的中断服务程序如下所示：

4 硬件测试与分析

通过Tektronix的TDS2012B数字示波器对电路进行实测，其中测得的全波整流信号波形和二阶有源滤波器波形如图9、图10所示。

(1)通过图9与图5全波整流信号仿真图比较可以看出，仿真波形与实测波形吻合，实测结果验证了硬件电路中全波整流电路模块设计的正确性。

(2)通过图10与图8二阶有源滤波信号的仿真图比较可以看出，仿真图与实测图吻合，实测结果验证了硬件电路中二阶有源低通滤波电路模块设计的正确性。

经过信号调理后的信号通过DSP2812的片内AD转换后，得出该信号的电压有效值为1．43V，验证了该模块软件设计的正确性，在CCS环境中进行在线调试，电压测试结果如图11所示。

通过软件调试结果可以看出，软件测试、硬件测试结果均与系统仿真结果相同，验证了系统硬件、软件设计正确性。