基于PIC16F74控制的高頻化真在線式UPS

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

下面介紹基于此款mcu的ups控制方案。

2ups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。

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。

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fline，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：

ek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：

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。

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。