基于STM32的高电能质量UPS电源的设计与实现

基于STM32的高电能质量UPS电源的设计与实现

张登魁1   徐亚峰2 徐源3

1.3南阳理工学院智能制造学院 473004

2.河南海宏科技有限公司

摘  要：为了解决传统在线式UPS电源出现稳压精度较差、输出波形失真度较高、动态性能不好等问题，设计了一款以STM32为核心的高电能质量在线式UPS电源。本课题以提高电能质量、降低电源损耗为目标进行方案设计。硬件电路由功率因数校正电路、交直流切换电路、全桥逆变电路、电压电流采样电路、STM32控制电路、充电电路等组成。软件上采用双极性SPWM调制技术对全桥逆变电路进行控制，通过PID算法对系统的硬件电路做闭环调节。经实验测试，UPS电源输出电压稳定，效率可达90.1%，输出波形谐波含量较低、THD为3.76%，达到预期目标。本课题还具有低负载调整率、低电压调整率、抗干扰能力强等特点。

关键词：在线式UPS；STM32；全桥逆变；双极性SPWM；电能质量

1引言

1.1 国内外研究现状

国外研究现状：随着国外的在线式UPS电源技术不断发展，产品更加智能化，稳定性不断提高，应用的领域也更加广泛[1]。例如，美国APC公司推出的型号为APC Smart-UPS SUA2200I的在线式UPS电源[2]，输出电压220V，高效节能，采用双转换设计，可以实现电网和蓄电池之间的无缝切换，设有多个接口可实现与计算机、服务器等设备通信。但此电源体积较大、工作噪音较大并且价格昂贵；松下公司推出的DNT系列的UPS电源采用了ZVS-PWM的新型逆变拓扑结构[3]，使UPS电源的损耗更低、输出电压精度更高。但此类UPS电源价格昂贵，后期维护成本高。

国内研究现状：随着信息化的推进，国内的UPS电源也得到了高速发展，市场竞争激烈，在线式UPS电源产品不断地创新和改进[4]。例如，中航长城电力公司推出的G-UPS系列的在线式UPS电源采用了模糊自适应控制[5]，控制精度更高，UPS电源的快速响应性能更好，但此产品价格昂贵，工作噪音较大；陆科电子公司推出的KELONG系列的UPS电源采用高频逆变技术[6]，实现逆变器的高效能量转换，提高UPS电源效率，并采用多重保护技术，使UPS电源在使用过程中更加安全可靠。此外，UPS电源的控制策略也是现在研究的重点，通过改进传统的PID控制，使UPS电源的控制精度更加精确。例如，华为推出的UPS5000-E系列的UPS电源产品，采用了模型预测的控制算法，使UPS电源有更为精确的电压输出。该算法不仅可以对实时数据分析还能对历史数据分析，通过预测负载的变化来调整控制参数。

1.2 选题意义

随着信息化的迅猛发展，诸如计算机、网络服务器、数据储存等联网设备对供电的可靠性和电能质量的要求越来越高，UPS电源技术日益受到重视。虽然在线式UPS电源已经广泛应用于各行各业，市面上也有许多品牌可供我们选择。但目前传统在线式UPS电源还存在着输出电压受市电的干扰较大、输出波形畸变率较高、动态性能较差等问题。本课题以STM32为核心，设计一款高电能质量在线式UPS电源。通过对硬件电路的和软件程序的优化，有效地解决了传统在线式UPS电源经常出现的问题。并且本课题输出电压低，具有更高的安全性和可靠性，还适用于一些小功率产品的不间断供电，如智能家居系统、电子设备等。

1.3 系统基本参数

本课题设计的在线式UPS电源的基本参数如下：

（1）输入交流电压30V，频率50±1Hz；

（2）输出交流电压36V±0.2V、频率50±0.2Hz；

（3）输出波形失真度THD为3.76%；

（4）输出功率72W，效率为90.1%；

（5）输出电流在0.1A~2.0A变化时，负载调整率小于0.5%；

（6）输入电压在25V~35V变化时，电压调整率小于0.5%。

2总体方案设计

在线式UPS电源系统的总体结构主要包括功率电路部分、控制电路部分、交直流切换电路部分。总体方案设计包括硬件电路设计和软件设计，系统的结构图如图2-1所示。

图2-1系统总体结构图

如图2-1所示，交流30V输入正常时，首先经过EMI滤波电路，利用电容和电感的特性，滤除电网中的高频脉冲并减少UPS电源本身对外界的电磁干扰。再通过LT4320电路转换为42V左右的直流电。整流后的交流电一部分向充电电路供电，用来给蓄电池充电。另一部分向辅助电源和PFC电路供电，辅助电源能够输出5V、±12V电压，为其它模块提供稳定电源。PFC功率因数校正电路来提高系统的输入功率因数，通过PFC功率因数校电路升压后得到60V左右的直流电，再通过逆变器和输出滤波电路，转换为纯净的交流电供给负载。断开交流输入时，系统将由切换电路迅速切换到由蓄电池向辅助电源和PFC电路供电，PFC输出的60V左右的直流电再通过逆变器和输出滤波电路，输出纯净的交流电向负载供电。

3系统硬件设计

3.1 PFC电路设计

本课题采用UCC28019芯片来设计PFC电路。UCC28019功率因数校正电路原理图如图3-1所示，电路主要由输入滤波电容、升压电感、升压二极管、MOS管（IRFB4110）、采样电阻、以及UCC28019外围电路组成。从图中可知，当MOS管导通时，电感充电；当MOS管关断时，电感放电。在每个开关周期中，流过MOS管Q1的电流也同时流过电感L1，通过控制MOS管Q1的导通和关断，就可以控制流过电感L1的电流，当MOS管Q1的导通和关断以正弦规律变化时，电感L1上的电流也呈正弦规律变化，再使电流的相位追踪电压的相位，则可以实现功率因数校正。LT4320电路输出的42V直流电经过PFC电路升压后转变为60V左右的直流电，再接入后级电路。

图3-1 UCC28019功率因数校正电路原理图

3.2 逆变电路设计

全桥逆变电路原理图如图3-2所示，电路主要由滤波电容、逆变桥、LC滤波器组成。全桥的4个MOS管，每两个组成一对桥臂。电阻R1、R2、R5、R6、为MOS管的栅极驱动电阻，阻值为10Ω，栅极驱动电阻可以限制MOS管的驱动电流。MOS管是压控型开关器件，在导通过程中，需要通过驱动电源给栅极电容充电，栅极驱动电阻防止导通电流过大，从而抑制MOS管的开关速度，减少EMI干扰。D1~D4是四个反向并联在栅极驱动电阻的快恢复二极管，在电路中加速给MOS管栅极电容放电，提高MOS管的关断速度，降低MOS管的关断损耗。电阻R3、R4、R7、R8为并联在MOS管栅极和源极的保护电阻，阻值为20K，不仅可以为MOS管提供偏置电压，还能快速泄放掉栅极和源极之间因为静电而产生的高电压，从而起到保护MOS管的作用。后级的LC滤波电路滤除全桥逆变输出的高次谐波，使输出波形为标准的正弦波。

图3-2全桥逆变电路原理图

4系统软件设计

在本课题设计的在线式UPS控制系用中，STM32控制器中的PWM、ADC、DMA等外设接口均有用到，在程序控制中采用定时器中断来确保程序的实时性。在线式UPS系统的主程序流程图如图4-1所示，系统初始化后STM32控制器对采样到的数据进行处理，然后根据反馈结果对SPWM的占空比进行调节。如果输出电压或者电流超过设定值，则停止输出SPWM。

图4-1主程序流程图

5实现与测试

5.1 UPS电源实物搭建

根据前面章节的硬件和软件设计，搭建出基于STM32的高电能质量UPS电源实物，并对其进行数据测量。在线式UPS电源实物图如图5-1所示，各个模块之间通过导线连接，模块之间的电源线使用RVB红黑并线连接，信号线采用彩排线连接。并且每个电路都设计有插拔式的接线端子，方便各模块之间接线。在输出端预留出多个测试端口，方便使用万用表和示波器对电路进行测量。

图5-1在线式UPS电源实物图

5.2 输出电压测试

用示波器测得输出波形如图5-2所示，示波器探头夹在负载两端，挡位选择×10档，电压衰减10倍进入示波器。如图所示，交流有效值为36.015V、频率49.985H，波形基本是一个标准的正弦波，波形质量较好。

图5-2输出波形图

5.3输出波形失真度测试

在进行波形失真度THD测试时，将U盘插入到示波器中，用示波器截取UPS电源输出电压波形图，然后保存波形和CVS文件到U盘中，把CVS文件导入到MATLAB软件中的simulink模型中，对其波形进行FFT频谱分析，以此得到正弦波的THD。分析结果如图5-3所示，正弦波失真度THD为3.76%。

图5-3输出波形失真度仿真图

参考文献

[1]饶兰香.基于ARM9的UPS远程智能检测及控制系统设计与实现[J].计算机与现代化,2012,No.201(05):137-140.

[2]张家贵.基于ARM的在线式UPS电源的研究与实现[D].武汉工程大学,2018.

[3]史宝山.浅谈应用IGBT新技术的UPS电源[J].民营科技,2016,No.198(09):77-78.

[4]Alves Wendell,Morais Lenin,Cortizo Porfirio. Design of an Highly Efficient AC-DC-AC Three-Phase Converter Using SiC for UPS Applications[J]. Electronics,2018,7(12).

[5]陈家祥.UPS关键技术及其智能监控系统的研究与实现[D].佛山科学技术学院,2020.

[6]赵亮.单相UPS逆变系统控制技术研究[D].西南科技大学,2016.

Design and Implementation of STM32-Based High Power Quality UPS Power Supply

Abstract: This project designs a high power quality online UPS power supply with STM32 as the core to solve the problems of poor voltage accuracy, high distortion of output waveform and poor dynamic performance of traditional online UPS power supply. This project is designed with the goal of improving the quality of electricity and reducing power loss. The hardware circuit is composed of the power factor correction circuit, AC/DC switching circuit, full-bridge inverter circuit, voltage current sampling circuit, STM32 control circuit, charging circuit, etc. The software design of this project adopts the bipolar SPWM modulation technology to control the full-bridge inverter circuit, and the hardware circuit of the system is regulated in closed loop by the PID algorithm. Experimental tests indicated that the UPS power output voltage was stable, the efficiency could reach 90.1%, the output waveform harmonic content was low, and THD was 3.76%, reaching the expected goal. This project also features low load regulation, low voltage regulation and strong anti-interference capability.

Key words: On-line UPS; STM32; full-bridge inverter; bipolar SPWM; power quality

第一作者作者简介

姓名：张登魁

出生年月：2001.07

性别：男

民族：汉

籍贯：河南南阳

单位：南阳理工学院

研究方向：电气工程及其自动化

学历; 本科

职称：无

邮编：473004

通讯地址：南阳市长江路80号

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