基于PIC16F74控制的高頻化真在線式UPS

1引言

信息網(wǎng)絡(luò)時代下數(shù)據(jù)文件的安全保護離不開ups，而網(wǎng)絡(luò)化，智能化、小型化，代表著ups的發(fā)展趨勢。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,升級換代難,網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控難,保密性差等缺點,逐漸被基于mcu控制的數(shù)字化ups所代替。美國著名的芯片供應(yīng)商microchip最近推出的pic16f74，是一款精簡指令型（risc）高性能的cpu，僅有35個單字節(jié)指令，其帶有8路8位ad，雙路pwm輸出，3個定時/計數(shù)器，帶uart接口，195個字節(jié)ram，4k×14bit的flash存儲器，保密性好，其指令速度在外部晶振20mhz下，可達200ns

下面介紹基于此款mcu的ups控制方案。

2ups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。

該系統(tǒng)在任何電力情況下，逆變器始終是工作的。當電網(wǎng)正常時，它通過pfc功率因數(shù)校正實現(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，同時通過充電電路對電池組進行充電。當電網(wǎng)出現(xiàn)浪涌、陷落、低壓、高壓、頻率異常等情況時，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查表技術(shù)，可實現(xiàn)產(chǎn)生逆變器的spwm信號，檢測逆變器電壓、市電電壓頻率、機內(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警，處理輸出負載情況（包括短路）及與上位機通信等。

mcu控制的ups的難點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，對這四個問題提出解決方案。

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。

rb0接收的信號為實時跟蹤市電的方波信號，ccp1輸出為spwm的指令脈沖，其經(jīng)過一個有源濾波電路形成模擬基準正弦指令電壓，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來驅(qū)動igbt完成逆變。

同步跟蹤原理：利用rb0口上升沿中斷，啟動計數(shù)器，便可求出市電頻率fline，判斷是否需同步鎖相，再比較市電過零點與ccp1輸出的pwm指令脈沖的過零點，若超前，pwm指令正弦表過零減點；若滯后，則過零增點，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，進行spwm指令脈沖點數(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態(tài)響應(yīng)作為衡量ups品質(zhì)的主要指標，能否做到快速穩(wěn)壓是十分重要的。利用pic16f74的8位ad定時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，實現(xiàn)零誤差調(diào)節(jié)。同時在ad采樣誤差范圍內(nèi)為保證輸出電壓不過于頻繁跳動，還必須運用軟件濾波技術(shù)對輸出電壓進行微調(diào)。spwm的輸出脈寬系數(shù)mk由式（1）計算：

ek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）計算：

p為一個周期正弦波所分的點數(shù)；
a，b為常數(shù)；
k=0,1,2,……p。
再由查表法計算出輸出脈寬。

能電池充放電管理智能電池充放電管理主要由以下幾個方面組成：
1）電池均、浮充自動控制及轉(zhuǎn)換；
2）電池充電的溫度補償；
3）根據(jù)不同的放電電流設(shè)計不同的放電電壓保護點；
4）定期對電池進行放電測試管理以判斷電池的老化程度。
利用相應(yīng)的ad口進行輸入采樣（電池電壓，機內(nèi)環(huán)境溫度），采用pwm2口進行輸出控制（充電電壓）。根據(jù)不同的負載查表算出電池的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、遙測作為ups的重要指標，利用pic16f74的uart（異步串行口），可以方便實現(xiàn)ups輸出標準rs232信號。

pic16f74有個波特率設(shè)定寄存器spbrg，可設(shè)定各種波特率，考慮到ups控制實時性很強，數(shù)據(jù)傳輸會消耗時間，選擇一個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為被動發(fā)送數(shù)據(jù)，即所有的命令由上位機發(fā)出，ups根據(jù)接到的幀標志，作為執(zhí)行動作的依據(jù)。

3結(jié)語

上述控制方法實用可靠，已運用在1kva~6kva的高頻化在線式ups系列產(chǎn)品中。