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通信数字电源 UPS通信电源系统数字化控制技术研究

范文吧
发表于2021-11-25 20:06:13 归属于台海 本文已影响 我要投稿 手机版

近年来,我国在UPS通信电源系统领域有所发展,其控制技术正在向全数字化、智能化方向发展;但是,与国外相比,还是有一定差距的。主要原因是国内控制方式和控制方法落后,基于数字芯片的智能控制方法具有很强的非线性逼近能力和自适应、自寻优功能,对非线性、时变的复杂电源系统取得了良好的控制效果。研究设计更适合的智能控制方法,充分发挥UPS电力电子器件和拓扑电路的作用,从而开发出优质高效的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根据电路结构的不同可分为四类:待机型、在线交互型、双逆变器在线型和双逆变器电压补偿在线型。备用和在线交互方式在市电断电后有切换时间,不适合给通信设备供电;双逆变器电压补偿在线方式结构复杂、成本高,较为成熟的双逆变器在线方式应用广泛。

UPS通信电源系统由整流模块、电池组、逆变器和静态开关组成。其工作原理是:380/220伏市电通过交流/DC整流器将交流市电整流成DC电源,既能给阀控式铅酸蓄电池充电,又能通过DC/交流逆变器输出稳定的380/220伏交流电,为通信设备提供电源;市电异常或中断时,电池组提供DC电源,逆变器将DC电源转换为380/220V交流电源,为通信设备提供可靠电源,如图1所示。

2UPS通信电源电路分析

UPS通信电源的主电路一般由整流滤波电路和谐振逆变电路组成。为了实现输出电压的稳定控制,设计了斩波电路进行调压控制。首先对220V市电进行整流滤波,输出约310V的DC电压,然后经过斩波调压电路,最后在谐振逆变器的作用下输出稳定、高质量的220V正弦电压,如图2所示。

斩波电路选用技术成熟的降压稳压电路,与Boost和Cuk DC斩波电路相比,具有结构简单、应用成熟的优点;谐振逆变器采用全桥结构,与其他结构相比,具有输出容量大、开关管压力小、调节灵活等优点。开关频率设置为略低于谐振频率,以防止同一桥臂的上下开关管通过,从而避免器件损坏和电路故障。

由于开关控制灵活,易于升级和改进,可以实时在线调整控制算法和数据,可靠性高,体积小,抗干扰性强,在控制方式上,主要采用PWM信号控制斩波电路开关管调节输出电压,谐振逆变电路开关管设置频率可调。DSP不仅功能强大,内部集成了很多功能模块,而且具有高速数据处理能力,能够快速、准确地计算各种智能控制算法,运行速度快,PWM分辨率高,能耗低,从而保证了系统的实时性和稳定性。因此,可以选择DSP作为系统的控制芯片。

3智能控制方法研究

为了实现稳定准确的输出,最常用的控制方法是PID控制技术。PID控制技术因其结构简单、鲁棒性好、响应速度快、易于实现,成为开关电源领域应用最广泛、最成熟的控制技术。但是,PID控制算法也存在一些缺点,特别是其控制器中的三个控制参数Kp、Ki和Kd是固定的,不能随控制系统的性能变化而调整,因此实时性较差,因此将其用于非线性、时变系统,控制效果不佳;同时,三个PID控制参数的实时整定非常复杂,很难得到最佳的控制参数。近年来,模糊控制技术和神经网络控制技术在复杂系统的控制中显示出强大的优势,具有良好的控制效果,因此得到了广泛的应用。因此,利用模糊控制技术和神经网络技术设计PID控制器,为复杂动态系统的控制提供了一种新的途径。

模糊控制具有非线性适应性强、结构简单、鲁棒性好、运行速度快等优点。它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、时变参数和严重干扰的复杂控制问题。根据控制要求,将模糊控制与经典PID相结合,构造模糊PID控制器,应用于UPS通信电源系统,实现输出电压的精确控制。

模糊PID自校正控制器的结构如图3所示。模糊PID控制器由模糊推理单元和PID控制单元组成。它以系统在实际运行过程中的偏差和偏差变化率作为模糊推理单元的输入,通过模糊推理单元的计算和处理,实现PID三个参数的在线调整。控制器可以根据控制情况实时改变PID的三个控制参数,最终实现对被控对象的实时有效控制。

4电路仿真分析

根据设计的电路结构,基于MATLAB中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,“神经网络”模块为USM稳态辨识模块;“有效值”模块是有效值转换模块,其功能是匹配神经网络模块,将正弦电压转换为具有正弦电压峰峰值幅度的恒定DC电压;“离散转移网络”是通过离散化连续模型获得的离散模型。控制器作用于斩波器模块的开关管,各电子器件的参数按要求设置。

根据各种电子元件的参数,在Fuzzy-PID控制算法中设置PWM占空比空比,从而输出两个电压为200V、频率为40Hz的交流电路。仿真结果如图5所示。可以看出,该电路输出的交流电压幅值为200伏,频率为40HZ,控制性能优良,波形稳定,与理论设计一致,证明了模糊PID控制算法的有效性。

对于一些特定的UPS通信电源,系统输出电压的幅值和频率有更高的标准,可以通过优化调整模糊PID算法来实现,避免了硬件电路上的调整设计,更加智能灵活。

5结束语

随着数字技术的发展,高性能开关电源成为研究热点。采用数字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,本文根据不间断电源通信电源系统的结构和特点,研究了其数字控制技术,设计了一种基于模糊PID控制算法的不间断电源通信电源系统。通过系统仿真,结果显示了良好的控制效果,验证了该控制技术的有效性。

参考

张战松,蔡。开关电源的原理与设计。北京:电子工业出版社,2004。

于红叶,高频DC-DC数字转换器的研究。2006年复旦大学硕士学位论文。

王爱玲、房亚明、冯京。引用该论文王志平,王志平,王志平.通信电源技术,2012,29:27-28。

郑春娇,朱彦峰。引用该论文王志平,王志平,王志平.辽宁工业大学学报,2011,31:95-98。

王丹丽,赵彤,邱志平等. MATLAB控制系统的设计、仿真及应用。北京:中国电力出版社,2007:32-80。

作者简介

蒋乔,男,1986年11月。78156部队工程师,硕士研究生,主要从事智能控制理论和开关电源方向的研究。

沈静,女,1985.01。陆军勤务学院教研保障中心,硕士研究生,主要从事信息管理研究。

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