0 引言

隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，人們對供電連續(xù)性、可靠性的要求越來越高，按國家標準GB50052《供配電系統(tǒng)設計規(guī)范》規(guī)定，一級負荷與二級負荷要求由兩路電源供電，且對于一級負荷中特別重要的負荷，除要求兩路電源外，還必須增設應急電源，嚴禁將其他負荷接入應急供電系統(tǒng)，雙電源供電系統(tǒng)已經(jīng)成為重要場合必須配備的裝置。

通過對雙電源供電系統(tǒng)的市場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，70％的故障出在控制器，控制器質(zhì)量的好壞直接影響到系統(tǒng)的性能。目前市場上的雙電源供電系統(tǒng)主要由單片機控制，處理速度慢、精度低、實時性差；高性能控制器主要依賴進口，但國外供電標準、供電環(huán)境與國內(nèi)有差異，國外的雙電源系統(tǒng)不能最大程度地體現(xiàn)其優(yōu)越性能，價格昂貴，性價比低。

目前市場上的雙電源供電系統(tǒng)基本為兩進線系統(tǒng)，結構圖如圖1所示，通過控制器實現(xiàn)對常用電源和備用電路的控制。

1 控制器系統(tǒng)總體結構

本設計方案采用TI公司的TMS320F2812芯片作為控制核心，通過信號采集和處理電路對常用和備用兩路電源的電壓及頻率狀態(tài)進行檢測，通過繼電器回路進行兩路電源的切換，并將實時信息通過人機交互單元進行顯示，該控制器還通過CAN總線、RS485總線實現(xiàn)與遠程機的通訊，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)控，控制器系統(tǒng)的總體結構如圖2所示。

2 信號調(diào)理電路的設計與仿真

信號調(diào)理電路主要完成信號采集和信號處理，包含信號采集電路、全波整流電路、二階有源低通濾波電路三個部分。其中信號采集電路將常用電源和備用電源的220V交流電壓轉換為0～3V的交流信號；全波整流電路對弱交流信號進行全波整流，得到全波整流信號；二階有源低通濾波電路實現(xiàn)信號的濾波，將基波在內(nèi)的高次諧波進行濾除，得到全波信號的直流分量，通過直流分量與有效值的關系實現(xiàn)對電源電壓的測量。

2．1 信號采集電路的設計

信號采集電路主要實現(xiàn)將常用電源和備用電源的220V交流電壓轉換為弱電壓信號，系統(tǒng)是采用電流型電壓互感器設計實現(xiàn)的，交流電壓信號采集電路圖如圖3所示。

2．2 全波整流電路的設計

(1)全波整流電路的設計。全波整流電路由正半波整流電路和反相器構成，如圖4所示。

其中由運放器U1A、二極管D1、D2和電阻R1、R2構成了正半波整流電路。當輸入信號源Vin處于正半周時，二極管D1導通，D2截止，運算放大器U1A工作在閉環(huán)狀態(tài)，則由電阻R3、R4、R5和運放器U1C構成的加法器輸出為：

令R1=R2=R3=R4=2R5，則總的輸出電壓為Vout=Vin，顯然當Vin為負半周時，二極管D1截止，D2導通，輸出Va=0=0，總輸出為Vout=-Vin，由以上分析可知Vout=|Vin|。

(2)全波整流電路的仿真。將圖5所示的電路在NiMultism 11環(huán)境中進行仿真，其中Vin為50Hz、1Vpk的交流激勵信號，接入虛擬示波器后，得出的仿真結果如圖5所示。圖中，Channel A波形為Vin的波形圖，Channel B波形為Vout的波形圖。

從仿真結果中可以看到，Vout的幅值為1Vpk，頻率為100Hz，沒有信號失真現(xiàn)象，效果好，較好地得到了交流激勵信號的全波整流波形，實現(xiàn)了全波整流。

(3)全波整流電路信號分析。假設交流激勵信號為Vin=Ecos(ω0t)，則交流激勵信號經(jīng)過全波整流電路所得到的信號為Vout=E|cos(ω0t)|，Vout進行傅里葉級數(shù)展開，則有：

由上式可見，Vout由直流分量Vd和周期分量Vp兩部分組成。

其中Vd又稱為直流分量，為

周期全波余弦信號的有效值為

信號的直流分量Vd與有效值V的關系為

可以看出，信號的有效值完全可以通過信號的直流分量計算得出，因此在對信號進行濾波處理時，將信號的周期分量濾除，只留下直流分量，通過軟件計算得出信號的有效值。

2．3 二階有源低通濾波器的設計

二階有源低通濾波器的電路如圖6所示。

(1)二階有源低通濾波器系統(tǒng)傳遞函數(shù)。令圖中R1=R2=R，C1=C2=C，則系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為

(2)二階有源低通濾波器的仿真結果。將圖6所示的二階濾波電路在Ni Multisim 11環(huán)境下進行仿真，令R1=R2=47k，C1=C2=0．22 μf，輸入為1Vpk的全波余弦信號，得出該濾波電路的幅頻響應與輸出信號的波形圖分別如圖7、圖8所示。

通過圖7可以看出，若周期全波余弦信號的基波頻率為100Hz時，幅值衰減33dB，基本可以忽略，其三次和高次諧波基本衰減為零。

從圖8中可以看到，峰值為1．1V的周期全波余弦信號經(jīng)二階有源濾波電路濾波后，只剩下幅值為0．694V的直流分量，濾除效果較好，實現(xiàn)了對周期全波余弦信號的濾波。

3 軟件設計

電壓檢測通過DSP2812的片內(nèi)外設A／D單元完成，實時檢測常用電源和備用電源的電壓值，并將測得的電壓有效值送給液晶顯示、通訊模塊及故障處理模塊進行處理。

3．1 DSP2812的A／D單元的工作原理

DSP2812的A／D單元共有16個轉換通道，可采集0～3V的電壓信號，可設置為軟件觸發(fā)或EV中的事件源觸發(fā)A／D轉換，當A／D單元接收到觸發(fā)信號時，自動開始模數(shù)轉換，并將轉換結果自動存入結果寄存器ADCRESULT中，當轉換結束信號到來時，進入ADCINT中斷服務程序進行相應處理。

3．2 電壓檢測流程

本系統(tǒng)中，設置ADCINB3通道作為系統(tǒng)A／D采樣的通道，EV模塊的通用定時器GP Timer3的周期中斷作為A／D轉換的觸發(fā)信號，每當觸發(fā)信號SOC(Start of Convert)到來時，A／D開始轉換；當轉換結束信號EOC(End of Convert)到來時，進入A／D中斷服務程序，對轉換結果進行有效值計算，并利用混合濾波算法對有效值進行數(shù)字濾波，得出理想的電壓有效值。

ADC單元的中斷服務程序如下所示：

4 硬件測試與分析

通過Tektronix的TDS2012B數(shù)字示波器對電路進行實測，其中測得的全波整流信號波形和二階有源濾波器波形如圖9、圖10所示。

(1)通過圖9與圖5全波整流信號仿真圖比較可以看出，仿真波形與實測波形吻合，實測結果驗證了硬件電路中全波整流電路模塊設計的正確性。

(2)通過圖10與圖8二階有源濾波信號的仿真圖比較可以看出，仿真圖與實測圖吻合，實測結果驗證了硬件電路中二階有源低通濾波電路模塊設計的正確性。

經(jīng)過信號調(diào)理后的信號通過DSP2812的片內(nèi)AD轉換后，得出該信號的電壓有效值為1．43V，驗證了該模塊軟件設計的正確性，在CCS環(huán)境中進行在線調(diào)試，電壓測試結果如圖11所示。

通過軟件調(diào)試結果可以看出，軟件測試、硬件測試結果均與系統(tǒng)仿真結果相同，驗證了系統(tǒng)硬件、軟件設計正確性。