摘要：介紹了一種采用PIC16F74微處理器的UPS及設(shè)計(jì)高頻化在線式UPS的同步、穩(wěn)壓、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的控制方案。

關(guān)鍵詞：不間斷電源；微處理器PIC16F74；同步控制；PI調(diào)節(jié)

1  引言

    信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)代下數(shù)據(jù)文件的安全保護(hù)離不開UPS，而網(wǎng)絡(luò)化，智能化、小型化，代表著UPS的發(fā)展趨勢(shì)。傳統(tǒng)的UPS采用模擬電路控制,存在著體積大，產(chǎn)品一致性差,升級(jí)換代難,網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控難,保密性差等缺點(diǎn),逐漸被基于MCU控制的數(shù)字化UPS所代替。美國(guó)著名的芯片供應(yīng)商Microchip最近推出的PIC16F74，是一款精簡(jiǎn)指令型（RISC）高性能的CPU，僅有35個(gè)單字節(jié)指令，其帶有8路8位AD，雙路PWM輸出，3個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，帶UART接口，195個(gè)字節(jié)RAM，4k×14Bit的Flash存儲(chǔ)器，保密性好，其指令速度在外部晶振20MHz下，可達(dá)200ns的指令周期。

    下面介紹基于此款MCU的UPS控制方案。

2  UPS控制方案

    基于PIC16F74控制高頻化真在線式UPS，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1  基本結(jié)構(gòu)圖

    該系統(tǒng)在任何電力情況下，逆變器始終是工作的。當(dāng)電網(wǎng)正常時(shí)，它通過PFC功率因數(shù)校正實(shí)現(xiàn)AC/DC轉(zhuǎn)換，IGBT脈寬調(diào)制技術(shù)使逆變器輸出高質(zhì)量的正弦交流電，同時(shí)通過充電電路對(duì)電池組進(jìn)行充電。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)浪涌、陷落、低壓、高壓、頻率異常等情況時(shí)，由后備電池供電，DC/DC升壓經(jīng)逆變器輸出交流正弦波。只有當(dāng)UPS內(nèi)部出現(xiàn)工作環(huán)境溫度過高、過載等異常情況下，才由旁路輸出。

    利用PIC16F74的資源，在此控制系統(tǒng)中采用正弦波脈寬定點(diǎn)查表技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生逆變器的SPWM信號(hào)，檢測(cè)逆變器電壓、市電電壓頻率、機(jī)內(nèi)溫度，電池充放電管理，處理市電頻率及逆變頻率鎖相，控制市電到電池及電池到市電模式聲光報(bào)警，處理輸出負(fù)載情況（包括短路）及與上位機(jī)通信等。

    MCU控制的UPS的難點(diǎn)主要在于處理市電頻率與逆變器頻率鎖相同步，逆變器輸出電壓快速穩(wěn)壓，智能電池充放電管理，以及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控功能等。

    下面，對(duì)這四個(gè)問題提出解決方案。

2.1  市電頻率與逆變器頻率鎖相

    為保證UPS無環(huán)流切換，要保證市電旁路電壓與逆變器輸出電壓同相位須做軟件鎖相，其相關(guān)硬件如圖2所示。

圖2  鎖相電路

    RB0接收的信號(hào)為實(shí)時(shí)跟蹤市電的方波信號(hào)，CCP1輸出為SPWM的指令脈沖，其經(jīng)過一個(gè)有源濾波電路形成模擬基準(zhǔn)正弦指令電壓，在與另一電路的高頻三角波疊加形成主調(diào)制電路，產(chǎn)生逆變所需的指令脈沖信號(hào)來驅(qū)動(dòng)IGBT完成逆變。

    同步跟蹤原理：利用RB0口上升沿中斷，啟動(dòng)計(jì)數(shù)器，便可求出市電頻率f_line，判斷是否需同步鎖相，再比較市電過零點(diǎn)與CCP1輸出的PWM指令脈沖的過零點(diǎn)，若超前，PWM指令正弦表過零減點(diǎn)；若滯后，則過零增點(diǎn)，直至兩差值小于5，便可直接相位鎖定，而超過誤差范圍，則PIC16F74開始跟蹤市電，進(jìn)行SPWM指令脈沖點(diǎn)數(shù)調(diào)整。

2.2  逆變器輸出電壓穩(wěn)壓

    輸出正弦波電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)作為衡量UPS品質(zhì)的主要指標(biāo)，能否做到快速穩(wěn)壓是十分重要的。利用PIC16F74的8位AD定時(shí)采集逆變器輸出電壓作為反饋，在MCU內(nèi)部構(gòu)成含軟件PI調(diào)節(jié)器電壓環(huán)，保證輸出電壓有效值不變，實(shí)現(xiàn)零誤差調(diào)節(jié)。同時(shí)在AD采樣誤差范圍內(nèi)為保證輸出電壓不過于頻繁跳動(dòng)，還必須運(yùn)用軟件濾波技術(shù)對(duì)輸出電壓進(jìn)行微調(diào)。SPWM的輸出脈寬系數(shù)Mk由式（1）計(jì)算：

    M_k=M_k－1＋C₀E_k－C₁E_k－1（1）

式中：E_k為電壓誤差值；

      C₀為積分系數(shù)；

      C₁為比例系數(shù)。

    輸出脈寬τ由式（2）計(jì)算：

    τ=A＋B|M_k|sin(2πK/P)（2）

式中：P為一個(gè)周期正弦波所分的點(diǎn)數(shù)；

      A，B為常數(shù)；

      K=0,1,2,……P。

    再由查表法計(jì)算出輸出脈寬。

2.3  智能電池充放電管理

    智能電池充放電管理主要由以下幾個(gè)方面組成：

    1）電池均、浮充自動(dòng)控制及轉(zhuǎn)換；

    2）電池充電的溫度補(bǔ)償；

    3）根據(jù)不同的放電電流設(shè)計(jì)不同的放電電壓保護(hù)點(diǎn)；

    4）定期對(duì)電池進(jìn)行放電測(cè)試管理以判斷電池的老化程度。

    利用相應(yīng)的AD口進(jìn)行輸入采樣（電池電壓，機(jī)內(nèi)環(huán)境溫度），采用PWM2口進(jìn)行輸出控制（充電電壓）。根據(jù)不同的負(fù)載查表算出電池的ΔV/ΔT數(shù)值，以判別電池的老化程度。

2.4  智能監(jiān)控

    遙控、遙信、遙測(cè)作為UPS的重要指標(biāo)，利用PIC16F74的UART（異步串行口），可以方便實(shí)現(xiàn)UPS輸出標(biāo)準(zhǔn)RS232信號(hào)。

    PIC16F74有個(gè)波特率設(shè)定寄存器SPBRG，可設(shè)定各種波特率，考慮到UPS控制實(shí)時(shí)性很強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸會(huì)消耗時(shí)間，選擇一個(gè)合適的波特率及通信協(xié)議很重要。該方案中，波特率選為2400bit/s，UPS為被動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)，即所有的命令由上位機(jī)發(fā)出，UPS根據(jù)接到的幀標(biāo)志，作為執(zhí)行動(dòng)作的依據(jù)。

3  結(jié)語

    上述控制方法實(shí)用可靠，已運(yùn)用在1kVA～6kVA的高頻化在線式UPS系列產(chǎn)品中。