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基于PIC16F74控制的高频化真在线式UPS
内容导读:

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

下面介绍基于此款mcu的ups控制方案。

2ups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。

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。

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:

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:

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。

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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来源:《电源技术应用》 作者:陈一逢,卢允兴 (厦门市爱维达电子有限公司,福建厦门361006) 时间:2007/1/26 0:00:00
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