基于PIC16F74控制的高频化真在线式UPS

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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＋C0Ek－C1Ek－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=A＋B|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ΔV/ΔT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。