基于PIC16F74控制的高頻化真在線式UPS

摘要：介紹了一種采用PIC16F74微處理器的UPS及設計高頻化在線式UPS的同步、穩壓、網絡監控的控制方案。

關鍵詞：不間斷電源；微處理器PIC16F74；同步控制；PI調節

1? 引言

??? 信息網絡時代下數據文件的安全保護離不開UPS，而網絡化，智能化、小型化，代表著UPS的發展趨勢。傳統的UPS采用模擬電路控制,存在著體積大，產品一致性差,升級換代難,網絡監控難,保密性差等缺點,逐漸被基于MCU控制的數字化UPS所代替。美國著名的芯片供應商Microchip最近推出的PIC16F74，是一款精簡指令型（RISC）高性能的CPU，僅有35個單字節指令，其帶有8路8位AD，雙路PWM輸出，3個定時/計數器，帶UART接口，195個字節RAM，4k×14Bit的Flash存儲器，保密性好，其指令速度在外部晶振20MHz下，可達200ns的指令周期。

??? 下面介紹基于此款MCU的UPS控制方案。

2? UPS控制方案

??? 基于PIC16F74控制高頻化真在線式UPS，其基本結構如圖1所示。

圖1? 基本結構圖

??? 該系統在任何電力情況下，逆變器始終是工作的。當電網正常時，它通過PFC功率因數校正實現AC/DC轉換，IGBT脈寬調制技術使逆變器輸出高質量的正弦交流電，同時通過充電電路對電池組進行充電。當電網出現浪涌、陷落、低壓、高壓、頻率異常等情況時，由后備電池供電，DC/DC升壓經逆變器輸出交流正弦波。只有當UPS內部出現工作環境溫度過高、過載等異常情況下，才由旁路輸出。

??? 利用PIC16F74的資源，在此控制系統中采用正弦波脈寬定點查表技術，可實現產生逆變器的SPWM信號，檢測逆變器電壓、市電電壓頻率、機內溫度，電池充放電管理，處理市電頻率及逆變頻率鎖相，控制市電到電池及電池到市電模式聲光報警，處理輸出負載情況（包括短路）及與上位機通信等。

??? MCU控制的UPS的難點主要在于處理市電頻率與逆變器頻率鎖相同步，逆變器輸出電壓快速穩壓，智能電池充放電管理，以及網絡監控功能等。

??? 下面，對這四個問題提出解決方案。

2.1? 市電頻率與逆變器頻率鎖相

??? 為保證UPS無環流切換，要保證市電旁路電壓與逆變器輸出電壓同相位須做軟件鎖相，其相關硬件如圖2所示。

圖2? 鎖相電路

??? RB0接收的信號為實時跟蹤市電的方波信號，CCP1輸出為SPWM的指令脈沖，其經過一個有源濾波電路形成模擬基準正弦指令電壓，在與另一電路的高頻三角波疊加形成主調制電路，產生逆變所需的指令脈沖信號來驅動IGBT完成逆變。

??? 同步跟蹤原理：利用RB0口上升沿中斷，啟動計數器，便可求出市電頻率f_line，判斷是否需同步鎖相，再比較市電過零點與CCP1輸出的PWM指令脈沖的過零點，若超前，PWM指令正弦表過零減點；若滯后，則過零增點，直至兩差值小于5，便可直接相位鎖定，而超過誤差范圍，則PIC16F74開始跟蹤市電，進行SPWM指令脈沖點數調整。

2.2? 逆變器輸出電壓穩壓

??? 輸出正弦波電壓的動態響應作為衡量UPS品質的主要指標，能否做到快速穩壓是十分重要的。利用PIC16F74的8位AD定時采集逆變器輸出電壓作為反饋，在MCU內部構成含軟件PI調節器電壓環，保證輸出電壓有效值不變，實現零誤差調節。同時在AD采樣誤差范圍內為保證輸出電壓不過于頻繁跳動，還必須運用軟件濾波技術對輸出電壓進行微調。SPWM的輸出脈寬系數Mk由式（1）計算：

??? M_k=M_k－1＋C₀E_k－C₁E_k－1（1）

式中：E_k為電壓誤差值；

????? C₀為積分系數；

????? C₁為比例系數。

??? 輸出脈寬τ由式（2）計算：

??? τ=A＋B|M_k|sin(2πK/P)（2）

式中：P為一個周期正弦波所分的點數；

????? A，B為常數；

????? K=0,1,2,……P。

??? 再由查表法計算出輸出脈寬。

2.3? 智能電池充放電管理

??? 智能電池充放電管理主要由以下幾個方面組成：

??? 1）電池均、浮充自動控制及轉換；

??? 2）電池充電的溫度補償；

??? 3）根據不同的放電電流設計不同的放電電壓保護點；

??? 4）定期對電池進行放電測試管理以判斷電池的老化程度。

??? 利用相應的AD口進行輸入采樣（電池電壓，機內環境溫度），采用PWM2口進行輸出控制（充電電壓）。根據不同的負載查表算出電池的ΔV/ΔT數值，以判別電池的老化程度。

2.4? 智能監控

??? 遙控、遙信、遙測作為UPS的重要指標，利用PIC16F74的UART（異步串行口），可以方便實現UPS輸出標準RS232信號。

??? PIC16F74有個波特率設定寄存器SPBRG，可設定各種波特率，考慮到UPS控制實時性很強，數據傳輸會消耗時間，選擇一個合適的波特率及通信協議很重要。該方案中，波特率選為2400bit/s，UPS為被動發送數據，即所有的命令由上位機發出，UPS根據接到的幀標志，作為執行動作的依據。

3? 結語

??? 上述控制方法實用可靠，已運用在1kVA～6kVA的高頻化在線式UPS系列產品中。