基于單片機MR16的全數(shù)字化的UPS設(shè)計方法
隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、全球化通信技術(shù)和高精尖的精密加工工業(yè)的發(fā)展,對電源的要求越來越高。為確保供電的可靠性和穩(wěn)定性,UPS正越來越廣泛地被應(yīng)用到國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域。本文介紹了一種基于Motorala單片機MR16的全數(shù)字化的UPS設(shè)計方法,根據(jù)設(shè)計思想制作了一臺樣機,得到了較好的實驗結(jié)果。
1 主電路的設(shè)計
系統(tǒng)主電路主要包括蓄電池、逆變電路和切換電路3部分,逆變部分采用電壓型全橋逆變結(jié)構(gòu),如圖1所示。蓄電池電壓經(jīng)全橋逆變電路逆變,再經(jīng)工頻變壓器升壓和濾波后輸出。逆變電壓或電網(wǎng)電壓Un通過切換開關(guān)向負(fù)載供電。系統(tǒng)設(shè)計要求為直流側(cè)輸入電壓220V,額定交流輸出電壓為220V/50Hz,額定容量5kVA。
由圖1可見,在蓄電池和濾波電容之間設(shè)計了由R和繼電器KM1組成的合閘軟啟動電路,是為了防止在開機瞬間蓄電池對電解電容C1充電所產(chǎn)生的沖擊電流而設(shè)的。KM1由單片機控制,通常單片機在復(fù)位后延時一段時間,檢測直流母線電壓達(dá)到一定值后,再使KM1吸合,短接限流電阻R,完成合閘軟啟動,延時時間一般取3~5倍的電容C1的充電時間常數(shù)。C1為直流側(cè)的大濾波電容,能有效減少工作時直流母線電壓中的脈動交流幅值,并能短時貯存操作切換開關(guān)時反饋的電感貯能,抑制由此引起的過壓。C2為高頻無極性濾波電容,因為,在高頻逆變電路中電解電容的等效串聯(lián)阻抗會影響開關(guān)電流的能量吸收,所以,有必要在C1兩端再并聯(lián)此電容。
2 系統(tǒng)控制的實現(xiàn)
系統(tǒng)的中央控制器由Motorola公司的MR16單片機完成。逆變器的輸出電壓經(jīng)交流電壓傳感器反饋給單片機AD接口,經(jīng)單片機采樣及閉環(huán)控制運算,獲得相應(yīng)的SPWM控制信號輸出。該單片機同時完成對電網(wǎng)電壓的采樣以判斷電網(wǎng)故障與否,根據(jù)判斷再控制切換電路完成電網(wǎng)電壓與逆變器電壓的相互切換。
2.1 直流側(cè)電壓的采樣
為了保護(hù)蓄電池,防止過度放電,需要對直流側(cè)電壓進(jìn)行實時檢測。直流側(cè)電壓的采樣電路有多種形式,為了提高系統(tǒng)的可靠性,最好對主電路和控制電路進(jìn)行電隔離。本系統(tǒng)對直流側(cè)電壓的采樣電路如圖2所示,為了使主電路和控制電路隔離,并且不增加控制電路的難度和復(fù)雜度,本文采用了雙光耦隔離的采樣電路。直流電壓經(jīng)過光耦隔離降壓后輸入到單片機的AD采樣口,這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的直流電壓隔離采樣。
2.2 交流輸出電壓的采樣
交流輸出電壓的采樣也可以采用光耦采樣的方法,只須再增加一路完全一樣的電路作為負(fù)電壓采樣即可,但這樣增加了電路的復(fù)雜程度。由于交流電壓是作為反饋電壓輸入,其采樣精度勢必影響輸出電壓的控制精度,所以,系統(tǒng)采用TVA1412電壓傳感器,其采樣電路如圖3所示,既起到了電隔離作用又保證了較高的采樣精度。交流電壓經(jīng)過TVA1412的傳輸比為R10/R11。由于變壓器對交流電壓采樣必然有正負(fù)之分,而單片機的輸入只能為正,故使用-2.5V基準(zhǔn)電壓將輸入信號采樣值抬高2.5V,以保證輸入單片機采樣口的電壓為正。
2.3 鎖相同步的實現(xiàn)
在UPS的設(shè)計中,鎖相同步技術(shù)是衡量UPS系統(tǒng)性能好壞的一個重要指標(biāo)。UPS能夠?qū)崿F(xiàn)市電旁路供電與逆變器供電之間的可靠轉(zhuǎn)換的前提是,市電的交流電壓與逆變器的交流輸出電壓必須同頻率、同相位和同幅值。如果UPS在執(zhí)行轉(zhuǎn)換的瞬間,由于兩路交流電源的電壓值不同,因而會出現(xiàn)瞬態(tài)電壓差ΔU,如果用戶在具有過大的ΔU情況下執(zhí)行切換操作,有可能會對負(fù)載產(chǎn)生電流沖擊。
逆變器正弦波的輸出,是通過建立一個正弦表,在中斷程序中由正弦指針讀取正弦表值,并進(jìn)行相應(yīng)脈寬計算產(chǎn)生SPWM波形輸出。正弦指針為零時對應(yīng)的輸出正弦波相位也為零,所以,當(dāng)檢測到電網(wǎng)零相位點時,可以通過比較正弦指針的值來判斷是否鎖相,指針為零則表明逆變器正弦波輸出與電網(wǎng)電壓波形鎖相同步,否則,就要通過移相跟蹤電網(wǎng)電壓相位。但是,如果一檢測到零相位就將正弦指針清零,勢必會引起較大的沖擊電流,并且這樣抗干擾能力弱,所以,系統(tǒng)采用逐次逼近鎖相方式。具體方法是:每檢測到一次零相位點,就判斷當(dāng)前正弦指針是否為零,為零表明已經(jīng)鎖相,不為零,則判斷正弦指針處于正弦表的正半周還是負(fù)半周,位于正半周時就將正弦指針減1,位于負(fù)半周就將正弦指針加1,如此反復(fù)循環(huán)直到鎖相為止。顯然,鎖相同步要在PWM中斷程序中實現(xiàn)。
2.4 切換電路的設(shè)計
現(xiàn)在常用的方法是用晶閘管作切換開關(guān),普通晶閘管的開通時間為幾μs,關(guān)斷時間約為幾百μs,開、關(guān)時間之和不超過1ms。圖1中采用晶閘管反并聯(lián)連接結(jié)構(gòu),由于母線上流過的是正弦全波,以V1、V2為例,就必然形成在正弦波的正半周V2導(dǎo)通、V1關(guān)斷,在負(fù)半周則V1導(dǎo)通、V2關(guān)斷,這樣就保證了流過負(fù)載的電流是完整的正弦波。普通晶閘管是半控器件,其關(guān)斷依賴于給陽極施加反向電壓。當(dāng)電網(wǎng)故障時,首先,去掉V1和V2上的門極觸發(fā)信號,假設(shè)這時正處于正弦波的正半周,V1顯然關(guān)斷,但還沒有使V2關(guān)斷,這時再給V3和V4的門極施加觸發(fā)信號,V4導(dǎo)通,由于電網(wǎng)故障(停電或電壓偏低),這時就會在V2的陽陰極之間產(chǎn)生電壓差,其方向是陰極高于陽極,使V2關(guān)斷,從而切斷電網(wǎng),由此可見兩者之間沒有環(huán)流。當(dāng)市電電網(wǎng)恢復(fù)時,也是同理的。實驗證明采用上述方法是可行的。
3 實驗結(jié)果
按照上述設(shè)計思路制作了一臺5kW樣機,實驗結(jié)果如圖4所示。圖4(a)是逆變器空載輸出時的電壓波形,圖4(b)是逆變器滿載輸出時的電壓波形,圖4(c)是當(dāng)電網(wǎng)斷電時,從電網(wǎng)切換到逆變器輸出時的負(fù)載電壓波形(通道1為電網(wǎng)波形,通道2為負(fù)載側(cè)電壓波形)。由圖4可以看出,系統(tǒng)能輸出較好的正弦電壓,切換時間約2ms左右,能滿足負(fù)載和用戶要求。
(c) 電網(wǎng)斷電時從電網(wǎng)切換到逆變器輸出時的電壓波形
圖4 系統(tǒng)輸出波形
4 結(jié)語
采用上述思想設(shè)計了一臺樣機,通過實驗證明了該樣機能穩(wěn)定工作,切換時間短,各項性能指標(biāo)均已達(dá)到UPS設(shè)計要求。
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