基于Motorala單片機MR16的全數(shù)字化的UPS設計方法

　　隨著計算機網(wǎng)絡技術、全球化通信技術和高精尖的精密加工工業(yè)的發(fā)展，對電源的要求越來越高。為確保供電的可靠性和穩(wěn)定性，UPS正越來越廣泛地被應用到國民經(jīng)濟的各個領域。本文介紹了一種基于Motorala單片機MR16的全數(shù)字化的UPS設計方法，根據(jù)設計思想制作了一臺樣機，得到了較好的實驗結果。

　　1 主電路的設計

　　系統(tǒng)主電路主要包括蓄電池、逆變電路和切換電路3部分，逆變部分采用電壓型全橋逆變結構，如圖1所示。蓄電池電壓經(jīng)全橋逆變電路逆變，再經(jīng)工頻變壓器升壓和濾波后輸出。逆變電壓或電網(wǎng)電壓Un通過切換開關向負載供電。系統(tǒng)設計要求為直流側輸入電壓220V，額定交流輸出電壓為220V/50Hz，額定容量5kVA。

　　由圖1可見，在蓄電池和濾波電容之間設計了由R和繼電器KM1組成的合閘軟啟動電路，是為了防止在開機瞬間蓄電池對電解電容C1充電所產(chǎn)生的沖擊電流而設的。KM1由單片機控制，通常單片機在復位后延時一段時間，檢測直流母線電壓達到一定值后，再使KM1吸合，短接限流電阻R，完成合閘軟啟動，延時時間一般取3～5倍的電容C1的充電時間常數(shù)。C1為直流側的大濾波電容，能有效減少工作時直流母線電壓中的脈動交流幅值，并能短時貯存操作切換開關時反饋的電感貯能，抑制由此引起的過壓。C2為高頻無極性濾波電容，因為，在高頻逆變電路中電解電容的等效串聯(lián)阻抗會影響開關電流的能量吸收，所以，有必要在C1兩端再并聯(lián)此電容。

　　2 系統(tǒng)控制的實現(xiàn)

　　系統(tǒng)的中央控制器由MOTOROLA公司的MR16單片機完成。逆變器的輸出電壓經(jīng)交流電壓傳感器反饋給單片機AD接口，經(jīng)單片機采樣及閉環(huán)控制運算，獲得相應的SPWM控制信號輸出。該單片機同時完成對電網(wǎng)電壓的采樣以判斷電網(wǎng)故障與否，根據(jù)判斷再控制切換電路完成電網(wǎng)電壓與逆變器電壓的相互切換。

　　2.1 直流側電壓的采樣

　　為了保護蓄電池，防止過度放電，需要對直流側電壓進行實時檢測。直流側電壓的采樣電路有多種形式，為了提高系統(tǒng)的可靠性，最好對主電路和控制電路進行電隔離。本系統(tǒng)對直流側電壓的采樣電路如圖2所示，為了使主電路和控制電路隔離，并且不增加控制電路的難度和復雜度，本文采用了雙光耦隔離的采樣電路。直流電壓經(jīng)過光耦隔離降壓后輸入到單片機的AD采樣口，這樣就能夠實現(xiàn)高精度的直流電壓隔離采樣。

　　2.2 交流輸出電壓的采樣

　　交流輸出電壓的采樣也可以采用光耦采樣的方法，只須再增加一路完全一樣的電路作為負電壓采樣即可，但這樣增加了電路的復雜程度。由于交流電壓是作為反饋電壓輸入，其采樣精度勢必影響輸出電壓的控制精度，所以，系統(tǒng)采用TVA1412電壓傳感器，其采樣電路如圖3所示，既起到了電隔離作用又保證了較高的采樣精度。交流電壓經(jīng)過 TVA1412的傳輸比為R10/R11。由于變壓器對交流電壓采樣必然有正負之分，而單片機的輸入只能為正，故使用-2.5V基準電壓將輸入信號采樣值抬高2.5V，以保證輸入單片機采樣口的電壓為正。

　　2.3 鎖相同步的實現(xiàn)

　　在UPS的設計中，鎖相同步技術是衡量UPS系統(tǒng)性能好壞的一個重要指標。UPS能夠實現(xiàn)市電旁路供電與逆變器供電之間的可靠轉換的前提是，市電的交流電壓與逆變器的交流輸出電壓必須同頻率、同相位和同幅值。如果UPS在執(zhí)行轉換的瞬間，由于兩路交流電源的電壓值不同，因而會出現(xiàn)瞬態(tài)電壓差ΔU，如果用戶在具有過大的ΔU情況下執(zhí)行切換操作，有可能會對負載產(chǎn)生電流沖擊。

　　逆變器正弦波的輸出，是通過建立一個正弦表，在中斷程序中由正弦指針讀取正弦表值，并進行相應脈寬計算產(chǎn)生SPWM波形輸出。正弦指針為零時對應的輸出正弦波相位也為零，所以，當檢測到電網(wǎng)零相位點時，可以通過比較正弦指針的值來判斷是否鎖相，指針為零則表明逆變器正弦波輸出與電網(wǎng)電壓波形鎖相同步，否則，就要通過移相跟蹤電網(wǎng)電壓相位。但是，如果一檢測到零相位就將正弦指針清零，勢必會引起較大的沖擊電流，并且這樣抗干擾能力弱，所以，系統(tǒng)采用逐次逼近鎖相方式。具體方法是：每檢測到一次零相位點，就判斷當前正弦指針是否為零，為零表明已經(jīng)鎖相，不為零，則判斷正弦指針處于正弦表的正半周還是負半周，位于正半周時就將正弦指針減1，位于負半周就將正弦指針加1，如此反復循環(huán)直到鎖相為止。顯然，鎖相同步要在PWM中斷程序中實現(xiàn)。

　　2.4 切換電路的設計

　　現(xiàn)在常用的方法是用晶閘管作切換開關,普通晶閘管的開通時間為幾μs，關斷時間約為幾百μs，開、關時間之和不超過1ms。圖1中采用晶閘管反并聯(lián)連接結構，由于母線上流過的是正弦全波，以V1、V2為例，就必然形成在正弦波的正半周V2導通、V1關斷,在負半周則V1導通、V2關斷，這樣就保證了流過負載的電流是完整的正弦波。普通晶閘管是半控器件，其關斷依賴于給陽極施加反向電壓。當電網(wǎng)故障時，首先，去掉V1和V2上的門極觸發(fā)信號，假設這時正處于正弦波的正半周，V1顯然關斷，但還沒有使V2關斷，這時再給V3和V4的門極施加觸發(fā)信號，V4導通，由于電網(wǎng)故障(停電或電壓偏低)，這時就會在V2的陽陰極之間產(chǎn)生電壓差，其方向是陰極高于陽極，使V2 關斷，從而切斷電網(wǎng)，由此可見兩者之間沒有環(huán)流。當市電電網(wǎng)恢復時，也是同理的。實驗證明采用上述方法是可行的。

　　3 實驗結果

　　按照上述設計思路制作了一臺5kW樣機，實驗結果如圖4所示。圖4(a)是逆變器空載輸出時的電壓波形，圖4(b)是逆變器滿載輸出時的電壓波形，圖 4(c)是當電網(wǎng)斷電時，從電網(wǎng)切換到逆變器輸出時的負載電壓波形(通道1為電網(wǎng)波形，通道2為負載側電壓波形)。由圖4可以看出，系統(tǒng)能輸出較好的正弦電壓，切換時間約2ms左右，能滿足負載和用戶要求。

　　(c) 電網(wǎng)斷電時從電網(wǎng)切換到逆變器輸出時的電壓波形

　　圖 4 系統(tǒng)輸出波形

　　4 結語

　　采用上述思想設計了一臺樣機，通過實驗證明了該樣機能穩(wěn)定工作，切換時間短,各項性能指標均已達到UPS設計要求。