基于MC68HC908MR16數(shù)字化控制的不間斷電源系統(tǒng)

0    引言

    隨著信息處理技術和微電子等精密技術的蓬勃發(fā)展，對供電系統(tǒng)質(zhì)量和可靠性的要求也越來越高，在一些用電質(zhì)量要求較高的場合，急需一種電壓穩(wěn)定、能同步跟蹤電網(wǎng)頻率、高可靠性的交流不間斷電源。UPS系英文Uninterruptible Power System的縮寫，中文意思是“不間斷電源系統(tǒng)”。UPS使供電系統(tǒng)的可靠性和質(zhì)量大大提高，同時使投資和運行費用降低，是信息時代不可缺少的能源系統(tǒng)。在很多由于計算機系統(tǒng)停電而使計算機丟失數(shù)據(jù)的行業(yè)，UPS起著不可替代的作用，如銀行、證券、通信、航空管理、生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)等。

1    系統(tǒng)結構及工作原理

    不間斷電源的種類很多，按不同的結構和功能可以分為在線式UPS、在線互動式UPS、后備式正弦波UPS、后備式方波輸出UPS和Delta變換型UPS。從性能指標上看，在線式UPS>Delta變換型UPS>在線互動式UPS>后備式正弦波輸出UPS>后備式方波輸出UPS。從價格上看，在線式UPS、Delta變換型UPS和在線互動式UPS價格較高，后備式UPS便宜。

    本系統(tǒng)采用的是后備式正弦波UPS，它適用于用電質(zhì)量不高又要求不能斷電的負載。它由充電器、逆變器、蓄電池組、靜態(tài)開關等組成。系統(tǒng)工作原理如圖1和圖2所示。

    當市電供電正常時如圖1所示，連接逆變器的轉(zhuǎn)換開關關斷，連接電網(wǎng)的轉(zhuǎn)換開關開通，UPS將原來電壓起伏很大的市電經(jīng)過一種簡易的交流穩(wěn)壓器稍加穩(wěn)壓處理后，向用戶負載供電。同時經(jīng)充電器對蓄電池組充電。

圖1    市電供電正常時的工作原理

    當市電供電不正常時如圖2所示，連接電網(wǎng)的轉(zhuǎn)換開關關斷，連接逆變器的轉(zhuǎn)換開關開通，逆變器在蓄電池組所提供的直流能源支持下，向用戶提供50Hz、220V正弦波交流穩(wěn)壓電源，同時充電器停止工作。

圖2    市電供電不正常時的工作原理

2    控制策略

2.1    UPS逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓鎖相同步的實現(xiàn)

    在市電故障時，為避免UPS的逆變器和市電電源切換瞬間對負載造成大的電流沖擊，必須保證電網(wǎng)電壓與UPS逆變器輸出電壓同頻、同相和同幅值，本系統(tǒng)通過MR16單片機對電網(wǎng)電壓采樣及相位捕捉，并與建立的電網(wǎng)電壓正弦表格相比較，經(jīng)邏輯判斷后控制逆變器輸出電壓的幅值和相位，從而實現(xiàn)與電網(wǎng)電壓的同步。如圖3所示，電網(wǎng)電壓的正弦波信號經(jīng)變壓器降壓再經(jīng)－2.5V基準電壓的提升，與＋2.5V基準電壓進行比較，在LM339的輸出端經(jīng)反向器后在PTE6口就可以得到與正弦波同頻、同相位的方波信號，方波的上升沿為正弦波的零相位處，下降沿為正弦波的180°相位處，方波信號送到單片機的I/O口，單片機通過對I/O的檢測就可以判斷電網(wǎng)電壓的相位。通過計算兩次上升沿的時間間隔就可算出電網(wǎng)周期。UPS逆變器正弦波的產(chǎn)生，是通過在MR16單片機的ROM中建立一個正弦表，在中斷程序中，由正弦指針讀取正弦值進行脈寬計算，從而產(chǎn)生SPWM波形輸出,正弦指針為零時對應的正弦波輸出電壓也為零，所以，當檢測到電網(wǎng)零相位點時，可以考慮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)電壓相位實現(xiàn)鎖相。

圖3    電網(wǎng)電壓的采樣及相位的捕捉 [!--empirenews.page--]

2.2    UPS逆變器與電網(wǎng)切換控制的實現(xiàn)

    切換控制是通過通斷切換電路中的靜態(tài)電子開關（如晶閘管模塊MTC）來實現(xiàn)的。本系統(tǒng)選用MTC70（70A/1200V）的晶閘管，如圖4所示，圖4中L₁為電網(wǎng)進線，L₂為逆變器進線，N為兩者的公共地線，R為負載。圖中采用晶閘管反并聯(lián)連接，由于母線上流過的是正弦全波，以SCR₁及SCR₂為例，就必然形成在正弦波的正半周SCR₂導通、SCR₁關斷,在負半周則SCR₁導通、SCR₂關斷，這樣就保證了流過負載的電流是完整的正弦波。

圖4    切換電路示意圖

    晶閘管的通斷是由MR16單片機輔以切換控制電路實現(xiàn)的。當電網(wǎng)故障時，先發(fā)出切斷電網(wǎng)信號，再發(fā)出切入逆變器的信號；當電網(wǎng)恢復時，先發(fā)出切斷逆變器信號，再發(fā)出切入電網(wǎng)的信號，這就需要信號發(fā)送電路，同時控制晶閘管開、關也需要門極觸發(fā)驅(qū)動電路。切換控制電路如圖5所示，圖5中左邊PTC0、PTC6兩路端口就是MR16單片機發(fā)送的開關控制信號，經(jīng)光耦隔離送到由或非門組成的基本RS觸發(fā)器電路中，RS觸發(fā)器輸出的兩路信號是互鎖的，兩者只能同時為低電平（關斷信號），不能同時為高電平（開通信號），從而增強了系統(tǒng)的安全性。由555定時器組成的自激振蕩器的作用是定時地發(fā)送觸發(fā)脈沖，脈沖有效寬度應不小于晶閘管的開通時間，其輸出信號與RS觸發(fā)器的輸出相與送到門極驅(qū)動電路中。圖5中后級則是晶閘管的門極脈沖驅(qū)動電路，可以看出也是隔離輸出的。另外，采用兩個LED管用于顯示負載采用的供電方式。

圖5    切換控制電路

    MR16單片機通過對市電故障及故障是否恢復的判斷來切斷市電或UPS的逆變器。切斷市電或逆變器后，負載電流衰減到零需要有一過程，然后再切入逆變器或市電，為保證切換操作的可靠性，本系統(tǒng)在零電流切入方式的基礎上，在主程序中加入了如果在切斷市電（或逆變器）后延時3ms沒有進行切入操作，就不管是否檢測到零電流直接進行相應的切入操作，從而保證了UPS供電的可靠性。

2.3    UPS逆變器輸出電壓的平均值反饋控制

    UPS逆變系統(tǒng)實質(zhì)上也是一種控制系統(tǒng)，對于本系統(tǒng)輸出電壓來說，其擾動量主要是負載變化和蓄電池的電壓變化，蓄電池電壓在短時間內(nèi)可以視為定值，負載的變化為本系統(tǒng)的主擾動。根據(jù)反饋控制原理，要維持哪一個物理量基本不變就應該引入哪個物理量的負反饋，所以，閉環(huán)逆變系統(tǒng)采用的是電壓閉環(huán)控制。通過測量輸出反饋的電壓量與給定量進行比較，經(jīng)過調(diào)節(jié)器控制計算輸出，最終改變SPWM輸出脈寬，從而使輸出跟隨給定變化，負載擾動是被負反饋包圍在前向通道上的，所以，該控制結構能夠抵抗負載擾動變化。對于調(diào)節(jié)器來說，數(shù)字化PI調(diào)節(jié)器是目前應用最廣泛、最為成熟的一項技術，已經(jīng)在逆變系統(tǒng)中得到了很好的應用。由于逆變系統(tǒng)中的負載擾動均為電參量，動態(tài)響應要快，因此，PI控制算法中的參數(shù)選擇至關重要，在設計過程中應合理選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)，使系統(tǒng)的控制適應性、快速性好，并有較強的魯棒性。

    逆變系統(tǒng)的一般組成結構如圖6所示。

圖6    逆變系統(tǒng)組成結構圖

2.4    UPS逆變器輸出電壓波形的補償

    在逆變主電路（如圖7所示）中，為防止同一橋臂的兩個功率開關管出現(xiàn)直通現(xiàn)象，往往采取關斷一功率管后延時一段時間再開通另一功率管的方法，這中間延時的時間（通常為幾μs）就形成了死區(qū)，死區(qū)的存在（盡管很?。﹦荼貢斐奢敵鲭妷翰ㄐ蔚幕儯绕鋵α泓c附近波形的影響，本系統(tǒng)采取優(yōu)化存儲在MR16單片機ROM中的正弦表值的方法對死區(qū)進行補償，以實現(xiàn)平滑的正弦電壓波形輸出。

圖7    電壓型逆變電路  [!--empirenews.page--]

2.5    UPS逆變器的驅(qū)動模式

    本系統(tǒng)中，4個主功率開關器件采用的是單極性倍頻工作方式而不是雙極性方式，因為與雙極性相比，單極性倍頻方式具有等效“加倍”開關頻率的優(yōu)點，開關頻率的“加倍”體現(xiàn)在輸出電壓波形的頻譜中。若選擇頻率調(diào)制比為偶數(shù)，則最低次諧波將出現(xiàn)在二倍于開關頻率的邊帶上。

3    軟件設計

    系統(tǒng)軟件主要分為主程序和中斷服務子程序兩部分。主程序由初始化模塊、開機延時模塊、采樣保護模塊、調(diào)節(jié)器模塊等幾個部分組成，另外主程序中還有對一些數(shù)據(jù)進行處理程序以及前面切換部分所述的超時切換程序，數(shù)據(jù)處理程序包括為了節(jié)省中斷資源，對中斷中AD采樣的數(shù)據(jù)的處理計算和對通信接收數(shù)據(jù)的處理。

    中斷程序模塊的任務是完成SPWM波形的發(fā)出，完成電壓、電流和溫度等各項數(shù)據(jù)的AD采樣，與市電電壓的鎖相同步并進行切換操作的控制。由于中斷資源有限（每100μs中斷一次，中斷程序執(zhí)行時間不能超過100μs），對各參數(shù)的AD采樣不可能每次中斷都要完成一次，所以除重要參數(shù)外（輸出電壓和電網(wǎng)電壓），其他參數(shù)都采用每兩次中斷采樣一次的方法。

4    實驗結果

    圖8為市電斷電切入UPS逆變器瞬間波形。圖9為由市電切入逆變器時負載電壓波形。

圖8    市電斷電切入逆變器瞬間波形1

（通道1為市電波形，通道2為負載側(cè)電壓波形）

圖9    由市電切入逆變器時負載電壓波形

（通道1為切斷市電信號，通道2為負載電壓波形）

5    結語

    本文所介紹的全數(shù)字化后備式UPS采用MOTOROLA單片機MC68HC908MR16作為主控芯片，能夠做到快速鎖相和快速切換，基本對負載無影響。系統(tǒng)結構緊湊，可靠性高，而且成本低，調(diào)試方便，充分體現(xiàn)了數(shù)字控制的優(yōu)勢。