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(shù)和微電子等精密技術(shù)的蓬勃發(fā)展，對(duì)供電系統(tǒng)質(zhì)量和可靠性的要求也越來(lái)越高，在一些用電質(zhì)量要求較高的場(chǎng)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(xiě)，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(shí)使投資和運(yùn)行費(fèi)用降低，是信息時(shí)代不可缺少的能源系統(tǒng)。在很多由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)停電而使計(jì)算機(jī)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(jié)構(gòu)及工作原理

    不間斷電源的種類(lèi)很多，按不同的結(jié)構(gòu)和功能可以分為在線式UPS、在線互動(dòng)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(biāo)上看，在線式UPS>Delta變換型UPS>在線互動(dòng)式UPS>后備式正弦波輸出UPS>后備式方波輸出UPS。從價(jià)格上看，在線式UPS、Delta變換型UPS和在線互動(dòng)式UPS價(jià)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(fù)載。它由充電器、逆變器、蓄電池組、靜態(tài)開(kāi)關(guān)等組成。系統(tǒng)工作原理如圖1和圖2所示。

    當(dāng)市電供電正常時(shí)如圖1所示，連接逆變器的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)關(guān)斷，連接電網(wǎng)的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)開(kāi)通，UPS將原來(lái)電壓起伏很大的市電經(jīng)過(guò)一種簡(jiǎn)易的交流穩(wěn)壓器稍加穩(wěn)壓處理后，向用戶(hù)負(fù)載供電。同時(shí)經(jīng)充電器對(duì)蓄電池組充電。

圖1    市電供電正常時(shí)的工作原理

    當(dāng)市電供電不正常時(shí)如圖2所示，連接電網(wǎng)的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)關(guān)斷，連接逆變器的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)開(kāi)通，逆變器在蓄電池組所提供的直流能源支持下，向用戶(hù)提供50Hz、220V正弦波交流穩(wěn)壓電源，同時(shí)充電器停止工作。

圖2    市電供電不正常時(shí)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(shí)現(xiàn)

    在市電故障時(shí)，為避免UPS的逆變器和市電電源切換瞬間對(duì)負(fù)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(guò)MR16單片機(jī)對(duì)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(shí)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(hào)經(jīng)變壓器降壓再經(jīng)－2.5V基準(zhǔn)電壓的提升，與＋2.5V基準(zhǔn)電壓進(jìn)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(hào)，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(hào)送到單片機(jī)的I/O口，單片機(jī)通過(guò)對(duì)I/O的檢測(cè)就可以判斷電網(wǎng)電壓的相位。通過(guò)計(jì)算兩次上升沿的時(shí)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(guò)在MR16單片機(jī)的ROM中建立一個(gè)正弦表，在中斷程序中，由正弦指針讀取正弦值進(jìn)行脈寬計(jì)算，從而產(chǎn)生SPWM波形輸出,正弦指針為零時(shí)對(duì)應(yīng)的正弦波輸出電壓也為零，所以，當(dāng)檢測(cè)到電網(wǎng)零相位點(diǎn)時(shí)，可以考慮通過(guò)比較正弦指針的值來(lái)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(guò)移相跟蹤電網(wǎng)電壓相位實(shí)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(shí)現(xiàn)

    切換控制是通過(guò)通斷切換電路中的靜態(tài)電子開(kāi)關(guān)（如晶閘管模塊MTC）來(lái)實(shí)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(jìn)線，L₂為逆變器進(jìn)線，N為兩者的公共地線，R為負(fù)載。圖中采用晶閘管反并聯(lián)連接，由于母線上流過(guò)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(dǎo)通、SCR₁關(guān)斷,在負(fù)半周則SCR₁導(dǎo)通、SCR₂關(guān)斷，這樣就保證了流過(guò)負(fù)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(jī)輔以切換控制電路實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)電網(wǎng)故障時(shí)，先發(fā)出切斷電網(wǎng)信號(hào)，再發(fā)出切入逆變器的信號(hào)；當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)時(shí)，先發(fā)出切斷逆變器信號(hào)，再發(fā)出切入電網(wǎng)的信號(hào)，這就需要信號(hào)發(fā)送電路，同時(shí)控制晶閘管開(kāi)、關(guān)也需要門(mén)極觸發(fā)驅(qū)動(dòng)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(jī)發(fā)送的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，經(jīng)光耦隔離送到由或非門(mén)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(hào)是互鎖的，兩者只能同時(shí)為低電平（關(guān)斷信號(hào)），不能同時(shí)為高電平（開(kāi)通信號(hào)），從而增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性。由555定時(shí)器組成的自激振蕩器的作用是定時(shí)地發(fā)送觸發(fā)脈沖，脈沖有效寬度應(yīng)不小于晶閘管的開(kāi)通時(shí)間，其輸出信號(hào)與RS觸發(fā)器的輸出相與送到門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路中。圖5中后級(jí)則是晶閘管的門(mén)極脈沖驅(qū)動(dòng)電路，可以看出也是隔離輸出的。另外，采用兩個(gè)LED管用于顯示負(fù)載采用的供電方式。

圖5    切換控制電路

    MR16單片機(jī)通過(guò)對(duì)市電故障及故障是否恢復(fù)的判斷來(lái)切斷市電或UPS的逆變器。切斷市電或逆變器后，負(fù)載電流衰減到零需要有一過(guò)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(chǔ)上，在主程序中加入了如果在切斷市電（或逆變器）后延時(shí)3ms沒(méi)有進(jìn)行切入操作，就不管是否檢測(cè)到零電流直接進(jìn)行相應(yīng)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(shí)質(zhì)上也是一種控制系統(tǒng)，對(duì)于本系統(tǒng)輸出電壓來(lái)說(shuō)，其擾動(dòng)量主要是負(fù)載變化和蓄電池的電壓變化，蓄電池電壓在短時(shí)間內(nèi)可以視為定值，負(fù)載的變化為本系統(tǒng)的主擾動(dòng)。根據(jù)反饋控制原理，要維持哪一個(gè)物理量基本不變就應(yīng)該引入哪個(gè)物理量的負(fù)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(guò)測(cè)量輸出反饋的電壓量與給定量進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)器控制計(jì)算輸出，最終改變SPWM輸出脈寬，從而使輸出跟隨給定變化，負(fù)載擾動(dòng)是被負(fù)反饋包圍在前向通道上的，所以，該控制結(jié)構(gòu)能夠抵抗負(fù)載擾動(dòng)變化。對(duì)于調(diào)節(jié)器來(lái)說(shuō)，數(shù)字化PI調(diào)節(jié)器是目前應(yīng)用最廣泛、最為成熟的一項(xiàng)技術(shù)，已經(jīng)在逆變系統(tǒng)中得到了很好的應(yīng)用。由于逆變系統(tǒng)中的負(fù)載擾動(dòng)均為電參量，動(dòng)態(tài)響應(yīng)要快，因此，PI控制算法中的參數(shù)選擇至關(guān)重要，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)合理選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)，使系統(tǒng)的控制適應(yīng)性、快速性好，并有較強(qiáng)的魯棒性。

    逆變系統(tǒng)的一般組成結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6    逆變系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

2.4    UPS逆變器輸出電壓波形的補(bǔ)償

    在逆變主電路（如圖7所示）中，為防止同一橋臂的兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)管出現(xiàn)直通現(xiàn)象，往往采取關(guān)斷一功率管后延時(shí)一段時(shí)間再開(kāi)通另一功率管的方法，這中間延時(shí)的時(shí)間（通常為幾μs）就形成了死區(qū)，死區(qū)的存在（盡管很?。﹦?shì)必會(huì)造成輸出電壓波形的畸變，尤其對(duì)零點(diǎn)附近波形的影響，本系統(tǒng)采取優(yōu)化存儲(chǔ)在MR16單片機(jī)ROM中的正弦表值的方法對(duì)死區(qū)進(jìn)行補(bǔ)償，以實(shí)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(dòng)模式

    本系統(tǒng)中，4個(gè)主功率開(kāi)關(guān)器件采用的是單極性倍頻工作方式而不是雙極性方式，因?yàn)榕c雙極性相比，單極性倍頻方式具有等效“加倍”開(kāi)關(guān)頻率的優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)頻率的邊帶上。

3    軟件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)軟件主要分為主程序和中斷服務(wù)子程序兩部分。主程序由初始化模塊、開(kāi)機(jī)延時(shí)模塊、采樣保護(hù)模塊、調(diào)節(jié)器模塊等幾個(gè)部分組成，另外主程序中還有對(duì)一些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理程序以及前面切換部分所述的超時(shí)切換程序，數(shù)據(jù)處理程序包括為了節(jié)省中斷資源，對(duì)中斷中AD采樣的數(shù)據(jù)的處理計(jì)算和對(duì)通信接收數(shù)據(jù)的處理。

    中斷程序模塊的任務(wù)是完成SPWM波形的發(fā)出，完成電壓、電流和溫度等各項(xiàng)數(shù)據(jù)的AD采樣，與市電電壓的鎖相同步并進(jìn)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(shí)間不能超過(guò)100μs），對(duì)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?jī)纱沃袛嗖蓸右淮蔚姆椒ā?

4    實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    圖8為市電斷電切入U(xiǎn)PS逆變器瞬間波形。圖9為由市電切入逆變器時(shí)負(fù)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(fù)載側(cè)電壓波形）

圖9    由市電切入逆變器時(shí)負(fù)載電壓波形

（通道1為切斷市電信號(hào)，通道2為負(fù)載電壓波形）

5    結(jié)語(yǔ)

    本文所介紹的全數(shù)字化后備式UPS采用MOTOROLA單片機(jī)MC68HC908MR16作為主控芯片，能夠做到快速鎖相和快速切換，基本對(duì)負(fù)載無(wú)影響。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shì)。