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1、华中科技大学 硕士学位论文 基于DSP的自备电源控制系统设计 姓名：王伟 申请学位级别：硕士 专业：电机与电器 指导教师：于克训 20090530 I 摘 要 自备电源系统是一个根据用户需求向用户供电的电源，它有两种工作模式，一种 模式是可以通过自身的柴油发电机发电并通过适当的电源变换后给用户供电，另一种 模式是连接工业电网作为系统电源，再通过电源变换转化成用户需要参数的电能。自 备电源系统作为用户的电源，从某种意义上说是整个用户系统工作的基础体系，其可 靠性和稳定性从根本上决定了用户的后级设备的工作品质。 自备电源系统的控制系统控制着整个电源系统的稳定协调工作，电源系统由多个 分系统组成，控
2、制系统通过网络或硬件接线对各分系统采用既分散控制又集中管理的 控制策略。自备电源的控制系统功能可以分为两个模块：对系统分控制器供电和对整 个系统的监测控制。 在对自备电源系统的工作原理深入了解的基础之上，对控制系统首先进行了详细 的方案设计， 包括自备电源控制系统控制器数字信号处理器 DSP2407 的确定， 与上层 中央控制系统的 RS-485 串口通信和与下层各控制器的 CAN 通信网络的架构， 自备电 源控制系统供电电源变换器的拓扑结构的选取。 在详细设计阶段， 首先是硬件设计， 主要是 DSP2407 的外围接口电路原理图的设 计。在软件设计方面，对自备电源控制系统的电源采用了变系数
3、PID 的控制方法，并 与 PID 控制法仿真比较显示出更良好的控制效果； 对通信原理和其程序设计流程进行 了详细分析；对自备电源控制系统的运行控制进行了详细的设计，给出了控制流程； 最后分析了在软件设计中存在需要注意的问题。 关键词：自备电源，控制系统，DSP，通信，变系数 PID II Abstract Standby power system in accordance with user needs is a supply of power, it has two working models, one model is through its own power generation
4、 as diesel generator power through the appropriate power transform to the user, another model is to connect industrial power grid, and then transform to the users need energy parameters. Standby power supply system as the users power, in a sense the whole system are based on the power system, its re
5、liability and stability are the roots of users equipment quality work. Control system for power system control its steady and harmonious working, power system is composed of a number of subsystems, the control system through the network wiring or hardware for the various sub-systems use both central
6、ized supervising and decentralized control. Control system can be divided into two functions: the control system power supply and the whole power system monitor. After a deeper understanding of power system on the working principle, carried out a detailed program design of control system, including
7、the control system controller DSP2407 digital signal processor selection, the control system network architecture about communication with upper central control system using RS-485 and the lower controller using CAN, self-provided for control system power supply converter topology selection. During
8、the detailed design stage, for the hardware， design the DSP2407 external interface circuit. For software, adopt the variable parameter PID control method to the control system power, and compared with PID control simulation shows a better control effect; Do a detailed analysis of communications desi
9、gn principles and its procedures； Give processes and control procedures of the standby power control system; finally, analysis in the software design about several issues that needed to be resolved. Keywords: Standby-power, control system, DSP, Communications, variable parameter PID 独 创 性 声 明 本人声明所呈
10、交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做 出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅， 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等
11、复制手段 保存和汇编本学位论文。 保 密 ，在 年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密 。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪 论 1.1 引言 由于各种大型用电设备需要在室外即无法联接工业电网的场合广泛使用，特别是 大功率技术装备在室外工作的有效供电将成为一个急需要解决的的问题，它决定了室 外设备工作的可靠性和效率，因此解决好室外工作装备的大功率供电可靠问题有很大 的推广价值和实际意义1。 室外工作设备自主供电系统一般
12、有两种供电方式：一种是自备发电供电模式，即 采用内燃机（如柴油机）作为动力源带动发电机，发出的电能经过电源变换技术最终 达到符合用户各种需求的电能指标。该种供电方式的优点是供电功率大，高集成和模 块化，适应负载的范围大；缺点是系统结构复杂；本课题的自备电源系统采用这种模 式。另一种是采用储能设备，应用广泛的是将各种电池作为储能设备，再应用电源变 换技术将储存的能源变换为自身所需的直流电和交流电。其优点是系统体积小，结构 较简单；但是电池供电有很多缺点，如：电池的电能储存容量不大，不能适用于大功 率的用电设备，工作持续时间短；电池的成本和维护都很贵；使用寿命有限2。可见 自备发电供电电源的在需要
13、大功率，持续工作时间长，供电可靠性高的用电设备电源 领域具有很大的实际推广和应用价值。 对于大型电源系统来讲，由于设备组成复杂，需要大量不同参数的电源供应，这 样的需求要求将电源模块化方式设计以满足不同的应用需求，同时各电源模块之间也 要配合整个电源的运行情况。因此电源各模块的分散控制与集中管理将直接影响到电 源的可靠性与效率3，而且实时性要高，否则电源将不能协调的工作；于是各种高性 能控制芯片和控制技术也被引入到电源系统中来了，数字信号处理器（DSP）的出现 正好适应了这种需求。 1.2 自备电源控制系统的发展状况 自备电源系统是一个可以独立工作的电源系统，一般就如一个黑匣子模块，只有 华
14、中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 和外边用户的电源或操作连接接口，内部集成度很高。自备电源系统的结构一般由原 动机，发电装置、储能装置、电源变换装置、总成控制系统等五个单元组成4，各单 元的电气连接通过直流母线连接，控制连接则通过网络总线或硬接线相连接，这样可 以达到既分散自主控制又总成集中管理的目的。 自备电源控制系统实现的是对自备电源进行管理的功能，管理分为监视和控制两 个功能，是整个电源系统的控制核心，必须具有控制精确，响应迅速，智能程度高， 控制功能丰富，监视准确的性能指标，能满足各种条件下的供电要求。电源管理系统 的发展主要
15、呈现出以下几个特点：一是高效和高可靠性，控制功能要丰富，能适应各 种情形的变化，如负载的突变，故障的处理，保护的动作等。二是电源设备的高集成 度和模块化，由于大功率设备的组成复杂对电源参数需求种类繁多，所以要求设备供 电供电模块化和整个电源的高集成度。三是具有智能控制和监控的功能特征5。 自备电源控制系统需要通过高性能数字芯片(如 DSP)对电源实现直接监视和控 制，由数字芯片完成信号采样、处理、PWM 输出、电源的监控等工作。在控制芯片 的研发走在前列和市场占有率很高的公司即美国的德州仪器和微芯国际。同时随着网 络协议的发展，不同的工业以太网和现场总线协议如：World-FIP、CAN、SC
16、I 串口等 的出现， 自备电源控制系统逐渐发展为由 DSP 及其通信网络构成电源控制的平台， 这 种控制方式使复杂， 大型的电源系统的出现成为可能。 使电源设备向数字化、 智能化、 网络化、模块化、多功能化迅速前进6。 1.3 课题的研究目的和主要工作 1.3.1 课题的研究目的课题的研究目的 用电系统的自备供电系统由内燃机，发电机，电源变换器，电容储能器，控制台 等几个部分组成，完成对整个系统的高可靠供电；用电系统的电源供电可以在两种供 电模式下工作：自主供电模式和联接工业电网模式。在对国外研究成果详细分析的基 础上，为了提高供电的效率和可靠性，在原有系统设备的基础上提出了改进的包括电 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 机设计，电机控制，电源变换，系统控制等新的设计思想和技术。用电系统的自备供 电系统的总体控制系统是本文研究的重点。 1.3.2 课题的主要工作课题的主要工作 1、自备电源控制系统的控制方案设
