基于PIC16F74控制的高频化真在线式UPS
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＋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。
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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。
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