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基于PIC16F74控制的高频化真在线式UPS

摘要:介绍了一种采用PIC16F74微处理器的UPS及设计高频化在线式UPS的同步、稳压、网络监控的控制方案。

关键词:不间断电源;微处理器PIC16F74;同步控制;PI调节

1  引言

    信息网络时代下数据文件的安全保护离不开UPS,而网络化,智能化、小型化,代表着UPS的发展趋势。传统的UPS采用模拟电路控制,存在着体积大,产品一致性差,升级换代难,网络监控难,保密性差等缺点,逐渐被基于MCU控制的数字化UPS所代替。美国著名的芯片供应商Microchip最近推出的PIC16F74,是一款精简指令型(RISC)高性能的CPU,仅有35个单字节指令,其带有8路8位AD,双路PWM输出,3个定时/计数器,带UART接口,195个字节RAM,4k×14Bit的Flash存储器,保密性好,其指令速度在外部晶振20MHz下,可达200ns的指令周期。

    下面介绍基于此款MCU的UPS控制方案。

2  UPS控制方案

    基于PIC16F74控制高频化真在线式UPS,其基本结构如图1所示。

图1  基本结构图

    该系统在任何电力情况下,逆变器始终是工作的。当电网正常时,它通过PFC功率因数校正实现AC/DC转换,IGBT脉宽调制技术使逆变器输出高质量的正弦交流电,同时通过充电电路对电池组进行充电。当电网出现浪涌、陷落、低压、高压、频率异常等情况时,由后备电池供电,DC/DC升压经逆变器输出交流正弦波。只有当UPS内部出现工作环境温度过高、过载等异常情况下,才由旁路输出。

    利用PIC16F74的资源,在此控制系统中采用正弦波脉宽定点查表技术,可实现产生逆变器的SPWM信号,检测逆变器电压、市电电压频率、机内温度,电池充放电管理,处理市电频率及逆变频率锁相,控制市电到电池及电池到市电模式声光报警,处理输出负载情况(包括短路)及与上位机通信等。

    MCU控制的UPS的难点主要在于处理市电频率与逆变器频率锁相同步,逆变器输出电压快速稳压,智能电池充放电管理,以及网络监控功能等。

    下面,对这四个问题提出解决方案。

2.1  市电频率与逆变器频率锁相

    为保证UPS无环流切换,要保证市电旁路电压与逆变器输出电压同相位须做软件锁相,其相关硬件如图2所示。

图2  锁相电路

    RB0接收的信号为实时跟踪市电的方波信号,CCP1输出为SPWM的指令脉冲,其经过一个有源滤波电路形成模拟基准正弦指令电压,在与另一电路的高频三角波叠加形成主调制电路,产生逆变所需的指令脉冲信号来驱动IGBT完成逆变。

    同步跟踪原理:利用RB0口上升沿中断,启动计数器,便可求出市电频率fline,判断是否需同步锁相,再比较市电过零点与CCP1输出的PWM指令脉冲的过零点,若超前,PWM指令正弦表过零减点;若滞后,则过零增点,直至两差值小于5,便可直接相位锁定,而超过误差范围,则PIC16F74开始跟踪市电,进行SPWM指令脉冲点数调整。

2.2  逆变器输出电压稳压

    输出正弦波电压的动态响应作为衡量UPS品质的主要指标,能否做到快速稳压是十分重要的。利用PIC16F74的8位AD定时采集逆变器输出电压作为反馈,在MCU内部构成含软件PI调节器电压环,保证输出电压有效值不变,实现零误差调节。同时在AD采样误差范围内为保证输出电压不过于频繁跳动,还必须运用软件滤波技术对输出电压进行微调。SPWM的输出脉宽系数Mk由式(1)计算:

    Mk=Mk-1+C0EkC1Ek-1(1)

式中:Ek为电压误差值;

      C0为积分系数;

      C1为比例系数。

    输出脉宽τ由式(2)计算:

    τ=AB|Mk|sin(2πK/P)(2)

式中:P为一个周期正弦波所分的点数;

      A,B为常数;

      K=0,1,2,……P

    再由查表法计算出输出脉宽。

2.3  智能电池充放电管理

    智能电池充放电管理主要由以下几个方面组成:

    1)电池均、浮充自动控制及转换;

    2)电池充电的温度补偿;

    3)根据不同的放电电流设计不同的放电电压保护点;

    4)定期对电池进行放电测试管理以判断电池的老化程度。

    利用相应的AD口进行输入采样(电池电压,机内环境温度),采用PWM2口进行输出控制(充电电压)。根据不同的负载查表算出电池的ΔVT数值,以判别电池的老化程度。

2.4  智能监控

    遥控、遥信、遥测作为UPS的重要指标,利用PIC16F74的UART(异步串行口),可以方便实现UPS输出标准RS232信号。

    PIC16F74有个波特率设定寄存器SPBRG,可设定各种波特率,考虑到UPS控制实时性很强,数据传输会消耗时间,选择一个合适的波特率及通信协议很重要。该方案中,波特率选为2400bit/s,UPS为被动发送数据,即所有的命令由上位机发出,UPS根据接到的帧标志,作为执行动作的依据。

3  结语

    上述控制方法实用可靠,已运用在1kVA~6kVA的高频化在线式UPS系列产品中。

作者简介

    陈一逢(1965-),男,高级工程师,毕业于山东大学无线电电子学专业,长期从事UPS研发工作。

    卢允兴(1975-),男,工程师,毕业于甘肃工业大学机电一体化专业,从事UPS研发工作。


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