基于stm32的ups不间断电源设计.docx

1、基于stm32的ups不间断电源设计摘 要随着计算机技术、网络技术、通信技术的发展，国民经济、国防军工、 政府部门的各个领域要保障计算机信息网络系统的安全、可靠运行，就离 不开UPS不间断电源，这已成为信息业界乃至各行各业的共识。 根据UPS不间断供电的原理，本文以提高UPS的可靠性为基本点，从UPS 电源装置的结构和形式来考虑其设计方案。整个UPS主电源装置由整流/ 充电器、逆变器、静态旁路、维修旁路等部分组成。整流/充电器(包括蓄 电池)为UPS提供在线工作的能量输入；逆变器为UPS提供在线工作的高质 量的稳压稳频的交流电输出；静态旁路为UPS在整流/充电器或者逆变器故 障情况下提供旁路工

2、作电源，逆变器供电和静态旁路供电之间可实现不间 断供电切换；维修旁路为UPS定期检修或故障维修时提供旁路电源。 基于电源技术的高频化、模块化、数字化、绿色化的发展方向，本文 结合现代电力电子技术以及信息处理技术的最新发展，利用微机作为控制 核心，研究和开发大功率(10kVA以上)在线式智能UPS不间断电源。 关键词：UPS ，电力电子技术， 微机控制 ，智能ABSTRACTWith the development of the computer technology, the network technology, communication technology, in all the fi

3、elds of the national economy, national defense and war industry, government ministries, they must depend on UPS (Uninterruptible Power System) By the principle of UPS, this paper considers the design scheme from its structure and format for increasing its reliability. The main power device is made u

4、p of rectifier, charger, inverter, static bypass, maintenance bypass. Rectifier and charger (including storage battery) offer the energy input of UPS when it is online. Inverter offers the CVCF (Constant Voltage and Constant Frequency) AC output when UPS is online. Static bypass offers online bypass

5、 power supply when rectifier, charger, or inverter results in faults, and the switching between inverter and static bypass is not interruptible. Maintenance bypass offers bypass power supply when UPS needs repairing or Maintaining. Based on the development trend of higher frequency, modularization,

6、digitalization, and greenness for power technology, this paper is relevant to the recent development of modem power electronics technology and information processing technology, and has studied the above middle capacity (Above 10KVA) online intelligent UPS, using microprocessor as core control.Keywo

7、rds: UPS ， Power Electronics， Intelligent， Computer control 第一章 概述电源问题一直是人们比较关心的问题。有一些重要的的设备，除了电源指标，还关注电源的质量，就是能稳定和连续性的提供电能。由于设备提供的电流容易不稳重或不见，就会制造很大的破坏，以至于无法补回。幸运的是不间断电源UPS（Uninterruptible Power System）为这一麻烦的克服带来了希望。1.1 UPS的发展1.1.1 UPS的发展过程60年代初UPS一开始是由旋转的电动机供给能的UPS，不断依赖于供给的动能。最早的UPS输出的稳定性是依靠惯性短期干扰电

8、压的突变;不间断是依靠飞轮的断电后的惯性作用延长它供电的时间。其实，这样的UPS的后备它的时间很短（通常低于5秒），所以都慢慢来用备用的电源，这是很早的UPS，如图1-1所示的图。虽可依赖增加容量，增长备份时间，但是转换率很低，所以内燃式UPS系统应运而生。动态UPS大型的设备，使操作不灵活和低效，声音大。随着电力电子学的不断发展，静态的ups慢慢出现它使用半导体的器件，控制制电路，这是目前绝大多数UPS的概念模型，如图1-2所示的典型框图图 图1-1 静态UPS典型框图静态UPS作品有在线式和后备式，这两个结构基本一样，不同之处在于后者的工作原理是在正常时在旁路的工作，而前者在逆变器出现问题

9、时，供电就有旁路来完成。一般来说，从各个方面分析来看，在线式更优越。UPS的装机的容量在持续变大，成为来增大容量或冗余系统的完美选择。因为单相出进让市电配送变得异常麻烦，所以UPS的三相输入应运而生，其高达60KVA以上的最大容量，该单相输出UPS当您切换到旁路，相应的市电会特别超载，所以厂家引入三相UPS的产品出来，有三相负载100不平衡的产品，如IPM，BORRI，迈斯纳，SAVIN等公司。最近出现了中断电池系统UBS（不间断电池系统）。它总结了动态和静态UPS的优势，但是噪音有点大，主要用来野外等环境糟糕的地方。1.1.2 UPS的发展前景在开发过程中可以从UPS的上面可以看到， UPS

10、经过这么长时间的发展，已经发展成为很大的网络系统，包括农业，林业，交通等领域;后备时间从一开始的几秒到现在的极限是甚至几十小时;尤其是从意义上的技术内容上，从原来的单独的机械到包括所有现代电子技术。电力电子功率器件的高频和模块让UPS产品尺寸减少很多，但保证了可靠和效率可以稳定提升，带来了可观的经济效益。引入微处理器硬件和软件，可实现智能化的UPS。可以为ups数字化，智能化打下坚实的基础。1.2研究目的和意义一开始UPS产品由于电子和相关技术的限制，技术和待机时间等方面的水平比较差，因此主要是计算机备用的电源，其他的行业很少涉及，普及率非常低。然而，随着个人计算机应用和信息处理技术日益普及和

11、发展，人们越来越希望有高品质电源。此外，国家经济的发展，许多关键设备都需要高品质的供电。因此，高性能，高可靠性的UPS逐渐受到关注。从通信行业乃至新兴的信息产业全部采用UPS不间断电源。事实上，UPS发展近40年，各项性能都差不多，只是除了以创新性和可靠性水平的变宽功能。伴着在UPS计算机的发展，UPS已不再只是一个简单的电源，只用来保护服务器，而是可以用来保护整个网络。用户想要的UPS是电力网络异常时，可以继续运行而不中断，而不仅仅是保护特定的设备。智能UPS是在这个要求下发展的。1.3本课题的任务和要求1.3.1本课题的任务 本课题以交流24伏不间断电源为主要设计对象，分析ups的基本原理

12、，熟练掌握stm32系列单片机的使用，软件和硬件相配合，通过整流、逆变、稳压等电路部件，实现了在电力供应不正常状态时快速输出稳定的交流24伏，是电机能正常运转，不至于出现生产故障的情况。1.3.2本课题的要求当电网供电正常时，电源经过降压稳压电路后，一部分给电机供电，使其能正常工作；另一部分通过整流稳压电路，在充电管理电路的作用下给电池充电。正常市电220伏输入，经降压变压器降压后输出24伏，一路直接供给电机，一路接入整流稳压电路，输出平稳的直流24伏给电池充电，当单片机检测到充电完成后充电管理模块给出提示。当电网突然停电或者波动太大时，电池输出的直流24伏经过逆变模块后快速供给电机，使之能在

13、停电时正常运转一段时间。第二章 系统整体设计方案UPS不间断电源不间断供电是指当AC输入电源异常或停电，电源还能向负载供电，也能确保电源的质量，负载供电不受到干扰。当主电源故障或着异常时，蓄电池放电，电池替代整流器，直流输入到逆变器提供电力给负载，以确保不间断的以及质量。如果继续分析，要是想确保电源的不间断电源的质量和负载的供电，可靠的UPS电源装置的是必不可少的，因为只有在电源装置的可靠性增加的前提下，才会保证负载电源供电的质量和不间断，这要从不间断电源的原理如下分析基础上，提出如下方案。2.1 UPS不间断电源原理2.1.1负载不间断电源的原因电源负载间断原因是多方面的，总结起来有：（1）

14、AC输入电源发生突然断电。这种突然停电有很多原因，比如：用户故障使电力跳闸;闪电引起的跳闸，因雷击或电源线断裂造成短路;鸟害造成断裂跳闸;台风或飓风都会刮断电源线等。（2）AC输入电源突然停电。（3）电源出现故障停止供电。所以，该解决方案必须由上述三个主要的原因下手。2.1.2不间断电源的原理（1）正常情况下如果AC输入的电压异常，或整流器出现问题时，如果整理器没有输出，那么该电池是由整流器自动替换为直流输入电压，逆变器能直接运作。电网恢复正常时，整流器可以继续工作。（2）当逆变器出现问题时，图2-1所示UPS不间断电源结构无法实现持续供电。那么方法有：第一，供给备用的逆变单元;第二是供给一种

15、辅助电源旁路。特别是：a，如果有一个逆变备份单元时，当有问题的变频器，立即切换到备用设备，以确保不间断的供电，然后加载仍然得到稳定的交流电压;b.如果你有一个静态旁路辅助电源，变频器有问题时，快速切换到静态旁路供电，然而，负载获得的电源质量相对差很多，却保障了不间断供电给负载。如果逆变器问题解决，它就可以继续运行。（3）如果交流电源输入时有问题，逆变器出现问题，这个时候需要保证ups负载还能供电，用逆变器和旁路。当逆变器恢复正常时，向负载供电通过旁路；或者经过逆变器的电流。（4）电源单元需要看情况定时维护，则要断开逆变器，静态旁路，然而还是要以确保不间断向负载提供电作为前提。本设计从不间断电源

16、的原理看，想出以下整体方案。2.2系统整体设计原理框图 该设计是双重的：首先，保证稳定的UPS输出，就是输出电压和频率要维持稳定;第二个是持续的UPS的输出，也就是保证不间断的供电。设计的重点就在于这两个关键点：（1）电池是电网故障时电能供应的保障;（2）逆变器输出电压恒定频率的核心，同样是UPS的中心，使用冗余备份装置以确保不间断向负载提供电;不间断电源辅助电源的情况下（3）旁路辅助电源的作用是当检查维修UPS时，可以给电路提供不间断的电源。基于上述情况，进行以下的设计原理框图（图2-1）：图 2-1 系统整体设计原理框图2.3整流/充电器设计方案整流器和充电器在设计中应该是被当作一个整体来

17、考虑的。高功率整流和充电的需要，由受控，三相全控桥整流器充电电路设计可控硅整流单元，这个设计更可靠还并减少了成本。控制电路用stm32单片机。如图所示2-2主回路电路原理图。图2-2显示了通过空气开关KK，快速熔断器KRD，整流变压器隔离降压，然后再经过三相全控桥整流。2-2 整流/充电器的设计方案2.4逆变器设计方案如图2-3，从整流器/充电器DC输出的逆变器输入，根据SPWM的输出脉冲产生SPWM逆变器控制系统的三相IGBT逆变桥模式完全控制的控制，滤波后会有稳压恒定的市电频率的正弦交流来输出。图2-3 逆变器设计方案2.5旁路电源设计方案电源旁路指的是使用静态旁路静态开关之间完成同时开关

18、逆变器电源及旁路。由于动作在几毫秒内飞速，不间断电源不满足要求，但是静态开关导通和断开只用几十微秒的时间，所以它可以完成不间断供电负荷。电源检修维护时旁路供电。旁路通常由主电源服用。图2-4是UPS的旁路系统的方案。图 2-4 ups旁路电源设计方案第三章 整流/充电器的设计3.1整流器/充电器主回路设计整流/充电电路用的是三相桥式全控制整流电路，它的设计的电路原理如下。图3-1 三相桥式全控整流电路原理图3.1.1 整流变压器的设计从前面看到的那样，通过空气开关和保险丝三相电网电压，串联连接在变压器的初级侧的星形/三角形连接。这属于整流变压器，与普通电力变压器不一样。整流变压器的作用（1）可

19、扩展整流电路的晶闸管控制角的调整范围并改善调节。（2）从角色中分离。让整流电路和电网分离，使得直接电接触不会在它们之间发生，因此降低了电网干扰整流器/充电器的影响，还降低了对其它电力设备干扰。（3）降低电压。3.1.2直流滤波电抗器和滤波电解电容的设计1.滤波电抗器LL的作用（1）平定滤波。包含整流电压逆变器和电池不好交换部件，使用两个反应器中的可释放能量存储的能量的特性，获得在L的反应器中降低整流电压脉动。（2）自由转动的作用。（3）限制升高的短路电流率。借助电抗器电流的访问之后不会激变的反应器的特性，开始保护整流器。2.滤波电容CC是高容量电解电容，有平波效果。3.1.3主回路电路总之，根

20、据本整流器/充电器主回路电路示于图3-2。下面的图描述的元件：图3-2 整流/充电器的主回路电路图3.2 整流器/充电器控制设计主回路设计整流器/充电器之后，然后就是设计控制的电路。所以要求有：（1）晶闸管触发控制电路，以与触发脉冲的主循环同步地输出电路;（2）在整流输出的尺寸可以调整;（3）保证整流器，逆变器和电池;（4）整流器要有一个顺利启动，所以调整启动的速度;3.2.1微处理器本设计考虑到各个方面的原因，最终选用stm32单片机作为微控制器。它是以设计为专门为ARM Cortex-M3内核设计的高性能，低功耗，低成本的嵌入式应用的要求。它的性能如下：（1）核心：ARM32位Cortex

21、-M3的CPU，频率72MHz的最高工作频率，1.25MIPS / MHz的。（2）内存：闪存集成在芯片上32-512KB。（3）低功耗：低功耗模式：睡眠，停止待机模式。由于这些方面，整流/充电器控制电路的主题用于STM32单片机作为主微机控制系统。3.2.2整流器/充电器的微机控制系统1.控制原理整流器/充电器在不间断电源ups的整流器，在供应逆变直流输入之外，还要给电池充电。关于如何调整整流电路的输出给出以下说明。在图3-1中，连接到所述整流器的输出端的负载后：UD=1.35 Ulcosa2.34 U2cosa（3-1）UD是整流器输出直流电源的平均值;UL整流变压器初级线电压;U2相整流

22、变压器次级电压：这可以从3-1中得到，通过调整来调节可控硅整流输出的角度。整流器和逆变器之间的直流相对来说是和固定的，以便有助于变频器的操作，在设计和使用PID控制算法的引入负反馈电压。2.主控电路的设计复位图3-3电路。原理：复位信息由复位电路来接受硬件或者软件，将会使潜在的单片机的复位引脚变为低电平。图3-3 STM32单片机复位电路运用电阻器的压降，调节器调节器获得的。基准电压源是LM336-5.OV。如图3-4所示的应用电路。使用8MHZ振荡电路的振荡频率，振荡的电容选用33pF。图3-4 参考电压电路3.脉冲输出与同步电路设计如图3-1，为保证闭合桥式的整流器功率共阳极和共阴极组设置

23、了晶闸管后，或因为后电流断续器可以再次接通时，两个组必须在图开启。晶闸管触发脉冲同时施加。脉冲宽度的触发脉冲减少虽然一半的数量，但为了防止脉冲变压器，这将不可避免地变大芯体积，这些绕组的匝数，数饱和，会增大漏感，造成陡前沿没有达到脉冲的，来增多电磁线圈的情况也许会发生改变，但时这个装置复杂化。从微控制器stm32单片机高速输出的脉冲。同步从A相输入相的主回路取电路，如图3-6：图3-5 脉冲输出电路图3-6 同步电路4.测量和信号采集电路的设计收集计算电路的必要性体现在测量结果和保护。使用CPU的微控制器STM32 12位A / D 转换器和运算功能可以轻松处理测量和保护设置。然而，该信号必须

24、是成通过信号调节微控制器，它需要满足几个条件：（1）非负信号，振幅不能大于5V;（2）到微控制器的输入信号是一个电压信号;（3）输入信号和微控制器之间工作不影响。所以，对于AC信号，还要涉及交替非问题负信号的信号转换。来自传感器的信号，由于谐波干扰信号，不可以立刻送入单片机，受滤波，缓冲和其他部门的存在传输。如图3-7。图3-7 直流采样电路5.信号输出电路的设计保护继电器开关量输出，光板，压力开关。类似的输入开关，开关量输出光隔离带动了其他行业。电路开关输出如图3-8所示：图3-8 开关量输出电路6，工作电源设计本装置的电源单元是不用说的，所以该电源一定是可靠的和准确的。对功放电源的操作，在

25、图3-9的电路中可以得到。图3-9 放大器工作电源电路 3.2.3整流器/充电器控制软件设计本文是在基础上开发出来的DC充电装置中进行，所以它是UPS整流器/充电器。该设备是目前在许多地方使用。第四章逆变器设计4.1 PWM逆变器原理4.1.1逆变电路1.三相桥式逆变电路最基本的逆变器电路其实是桥式电路。如图4-1示。这个数字代表实际的开关电路S1-6电子功率器件。按照的规则开闭就可以让直流转换成交流开关。 图4-1三相桥式逆变电路原理图现实中，换向电路或着控制脉冲可完成开关的切换。换流器电路的重要性体现在，实际的电路开关功率电子设备不是该打开和关闭也可以在某些控制的条件下进行的理想开关。不管

26、是全控或半受控电力器件，仅需要在适当的信号给控制电极，可将其打开;然而当关闭的情况不同的是，该设备可以由栅极信号其关闭被完全控制，半控装置一定要采取一定的措施，它使外部条件或关闭。关于该装置的自关断能力，换向可以单独完成，称为换向装置;不然必须依靠其他方式来实现减刑。2.控制方式典型的控制电压源逆变器是分阶段和PWM控制。PWM（脉冲宽度调制），是脉冲宽度调制控制模式时逆变器电路关断装置被控制以输出很多相等的幅度和脉冲宽度范围，而非正弦波或需要波形。按照规律，每个脉冲宽度调制，可使逆变器输出电压的大小发生变化，输出频率是也可变的。它也有如下特点：（1）逆变器输出的波形和正弦波类似;（2）动态的

27、响应非常快;（3）高功率因数。4.1.2基础PWM逆变器和PWM波的生成方法1.PWM控制其基本原理窄脉冲的脉冲相等和不同的形状施加到惯性部分，它的效果是基本相同的输出相同的响应波形的一部分。这一结果是PWM控制的很重要的一个前提。下面来简述PWM控制的原理。 （a） （b）图4-2 PWM控制的基本原理示意图2.使用stm32单片机产生SPWM波据以上得到的原则，我们选择stm32生成SPWM波形。图4-3显示WFG的框图。 图4-3 stm32产生SPWM波形原理框图4.2 UPS逆变器主电路设计许多形式结构，它是反相器电源电路的主电路。有两种三相逆变器的单相逆变器，逆变器的容量，容量和小

28、容量逆变器。按照使用的不同类型的电源设备和不同形式的逆变器的主电路配置的的可分为单相桥逆变器晶体管逆变器，三相桥式逆变器，逆变器控制;根据控制方式，可以分为最新提出的逆变器的不同阶段，PWM逆变器，逆变器控制相移SPWM。在实践中，该电路结构是多个单相或三相桥式逆变器电路。在现实中，这个电路结构是单相或三相桥式逆变电路。4.2.1 PWM三相IGBT逆变桥电路1.电路框架桥式电路普遍的运用到PWM逆变电路里。根据要求，本设计需要大容量，所采用了三相桥式逆变器。2.控制方式UPS输出波形不同，控制也不经相同。比如，输出波形是分阶段方法可以是一个方波，SPWM调制型PWM正弦波输出。此设计使用SP

29、WM控制的正弦波。3.逆变器的筛选逆变器装置有很多种类，有之前的晶闸管，还有现在比较流行的功率晶体管，以及双极型器件。4. IGBT驱动电路的设计当作为开关器件的电力电子功率器件，使之安全和可靠，一个重要环节就是驱动电路的选择。开关装置的不同取决有使用的功率是否一样，因此要用驱动电路的功率器件进行组合。图4-5中的周边电路。图4-5 利用EXB841组成IGBT驱动电路在EXB841外部电路，并连接到1W 5.1V齐纳二极管Z1的功率。这可以预防毁坏驱动器块，而且还可以更有用地驱动和关断IGBT。EXB841工作电源到+ 20V，而不是普通的功率输出值。本设计使用了特别定制的DC / DC电源

30、模块。 DC输入从系统工作+ 24V / 0.5A（到GND）开关电源。5.IGBT保护电路设计IGBT的正常与否直接影响着逆变器是否正常工作，是由于它是到反相器的致命的损伤，有必要保护IGBT，因此它的重要性也是不言而喻。过流，过压，过热等一般IGBT保护，设计保护电路，还要采取相应的防护措施，保证IGBT正常。（1）对过电流保护。（2）当IGBT关断速度的过电流保护。（3）过电压保护。下面可用于IGBT。如图4-6缓冲电路实现过压保护。图4-6 IGBT缓冲电路设计4.2.2静态逆变器输出变压器和开关1.采用隔离变压器滤波器用SPWM调制波形，可以方便的得到正弦滤波器。和UPS的输入和输出

31、隔离，因此可以让它们不会直接的电接触，减少连接到-Y类型相互干扰的访问频率逆变器电路隔离变压器输出端。还有，隔离的漏电感变压器本身有一定量的分布电容和变压器的漏电阻的是一种天然的低通滤波器，从而消除了沉重的输出滤波器的需要，将过滤正弦波失真最小的。这是因为该逆变器被连接到变压器原三角形，而且变压器输出连接器Y型。2.静态开关为了保证不间断供电开关逆变器和使用静态开关技术之间的静态旁路。综合来说，所用的逆变器电路的主电路来获得此UPS，图4-7示。图4-7 逆变器主电路图在图4-7，I-LEM分别和V-LEM霍尔电流，电压传感器。变频器采用IGBT模块双机切换设备。 T1用于频隔离变压器。静态开关和一对反快速晶闸管的联系。4.3 UPS逆变器控制电路的设计逆变器完成逆变器控制和调节器的主电路，并使输出电压和频率保持稳重。逆变器控制电路和功能的要求如下：（1）三相互补SPWM正弦脉宽调制脉冲的输出;（2）以控制和调节大小的逆变器输出的电压和频率;（3）保证输出电压和频率稳定性;（4）在变频器软开启控制变频器的开启时间，启动电流限制;（5）