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UPS通信电源系统数字化控制技术研究

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近几年我国在UPS通信电源系统领域有所发展,其控制技术正朝着全数字化和智能化方向发展;但与国外相比还存在一定的差距,其主要原因是由于国内的控制模式和控制方法落后,而基于数字芯片的智能控制方法由于具有很强的非线性逼近能力和自适应、自寻优功能,针对非线性和时变的复杂电源系统取得了较好的控制效果[1]。研究设计更加适合的智能控制方法,充分发挥UPS电力电子器件以及变换拓扑电路的作用,从而研制出优质高效的UPS通信电源系统,对提高我国通信技术水平具有重要意义。

1UPS通信电源总体结构

  UPS根据电路构造的不同分为后备式、在线互动式、双逆变在线式和双逆变电压补偿在线式四大类。后备式和在线互动式存在市电掉电后的切换时间,不适合对通信设备供电;双逆变电压补偿在线式结构复杂且造价成本高,采用较多的是技术较为成熟的双逆变在线式。  
  UPS通信电源系统是由整流模块、蓄电池组、逆变器、静态开关组成;其工作原理为380/220V市电通过AC/DC整流器将交流市电整流为直流电,既可为阀控式铅酸蓄电池组充电,也可通过DC/AC逆变器输出稳定的380/220V交流电,为通信设备提供电能;市电异常或中断,蓄电池组提供直流电源,通过逆变器将直流电转化为380/220V交流电,为通信设备提供可靠的电能,如图1所示。
2UPS通信电源住电路分析

  UPS通信电源主电路一般由整流滤波电路和谐振逆变电路组成。为了更好的实现对输出电压的稳定控制,设计一种斩波电路进行调压控制。首先220V市电经过整流滤波后输出约310V的直流电压,然后再经过斩波调压电路,最后经谐振逆变的作用输出稳定优质的220V正弦电压。
  斩波电路选用技术较为成熟的Buck调压电路,相对于Boost型和Cuk型等直流斩波电路具有结构简单、应用成熟等优势[2];谐振逆变器选择全桥式结构,相对于其他结构具有输出容量大、开关管承压小和调节灵活等优势,开关频率设置略低于谐振频率,以防止出现同一桥臂上下两个开关管直通的情况,从而避免造成器件损坏和发生电路故障。  
  由于开关控制较为灵活,便于升级改进,可实时在线的对控制算法和数据进行调整,且可靠性较高、体积小、抗干扰性强,因此在控制方式上,主要采用PWM信号对斩波电路开关管的控制来调节输出电压,对谐振逆变电路中开关管进行设置可调节频率。DSP不仅功能强大,内部集成了很多功能模块,而且具有高速的数据处理能力,能快速准确进行各种智能控制算法的计算,运行速度快、PWM分辨率高、耗能少,保证系统的实时性和稳定性[3],因此,可选用DSP作为该系统的控制芯片。
3智能控制方法研究

  为实现稳定、准确的输出,现运用最为普遍的控制方法是PID控制技术。由于PID控制技术结构简单、鲁棒性好、响应快速、易实现等优点,已成为开关电源领域应用最为广泛、技术最为成熟的控制技术。然而PID控制算法也有一定不足,特别是其控制器中三个控制参数Kp、Ki、Kd固定不变,不能随控制系统的性能变化而进行调整,实时性较差,所以PID控制器运用在非线性和时变系统中,控制效果不好;同时,PID三个控制参数的实时整定也非常复杂,要获得最佳的控制参数十分困难。近年来,由于模糊控制技术和神经网络控制技术在对复杂系统的控制中表现出了的较强的优势,具有很好的控制效果,所以得到了大量的运用。因此,利用模糊控制技术和神经网络技术来设计PID控制器为复杂动态系统的控制提供了新的途径。

  模糊控制具有非线性适应能力强、构造简单、鲁棒性好、运行速度快等优点,不需要知道被控对象的数学模型,特别适用于解决具有非线性、大时滞、时变参数及严重干扰等特点的复杂控制问题。结合控制需求,本文将模糊控制与经典PID结合构造了模糊PID控制器,应用于UPS通信电源系统中,以实现对输出电压确控制。  
  Fuzzy-PID自整定控制器结构如图3所示,Fuzzy-PID控制器由一个模糊推理单元和PID控制单元组成,其利用系统在实际运行过程中的偏差及偏差变化率作为模糊推理单元的输入,经过模糊推理单元的计算处理实现对PID三个参数的在线调整,控制器能够根据控制情况实时的改变PID三个控制参数,最终实现对被控对象实时有效的控制。
4电路仿真分析

  按照所设计的电路结构,在MATLAB中基于Fuzzy-PID自整定控制器的UPS通信电源系统仿真电路如图4所示,“Neural Network”模块为USM稳态辨识模块;“RMS”模块为有效值转换模块,其作用是为了匹配Neural Network模块,把正弦电压转换成恒定直流电压,且幅值为正弦电压的峰-峰值的;“Discrete TransferFcn”是连续模型离散化所得到的离散模型,控制器作用于斩波模块的开关管,各电子器件参数按要求进行设置。
  结合各电子元件的参数,在Fuzzy-PID控制算法中对PWM占空比进行设置,使输出两路电压为200V、频率为40Hz的交流电。其仿真结果如图5所示,可以看出该电路输出幅值为200V、频率为40HZ的交流电,控制性能优良,波形稳定,与理论设计相符,证明了模糊PID控制算法的有效性。
  针对一些特定的UPS通信电源,其系统输出电压的幅值和频率有更高标准,可通过对模糊PID算法进行优化调整加以实现,避免了在硬件电路上的调整设计,更加的智能和灵活。
5结束语

  伴随着数字化技术的发展,性能较高的开关电源已成为研究热点,运用数字化控制技术,可以简化传统开关电源中的复杂电路,提高开关电源的整体性能。因此,本文根据UPS通信电源系统的结构和特点,对其数字化控制技术进行了研究,设计了一种基于模糊PID控制算法的UPS通信电源系统,通过系统仿真,结果表明了优良的控制效果,验证了该控制技术的有效性。


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