基于MR16单片机的UPS设计

 

　　本文介绍了一种基于Motorala单片机MR16的全数字化的UPS设计方法，根据设计思想制作了一台样机，得到了较好的实验结果。

　　1 主威廉希尔官方网站 的设计

　　系统主威廉希尔官方网站 主要包括蓄电池、逆变威廉希尔官方网站 和切换威廉希尔官方网站 3部分，逆变部分采用电压型全桥逆变结构，如图1所示。蓄电池电压经全桥逆变威廉希尔官方网站 逆变，再经工频变压器升压和滤波后输出。逆变电压或电网电压Un通过切换开关向负载供电。系统设计要求为直流侧输入电压220V，额定交流输出电压为220V/50Hz，额定容量5kVA。

　　由图1可见，在蓄电池和滤波电容之间设计了由R和继电器KM1组成的合闸软启动威廉希尔官方网站 ，是为了防止在开机瞬间蓄电池对电解电容C1充电所产生的冲击电流而设的。KM1由单片机控制，通常单片机在复位后延时一段时间，检测直流母线电压达到一定值后，再使KM1吸合，短接限流电阻R，完成合闸软启动，延时时间一般取3～5倍的电容C1的充电时间常数。C1为直流侧的大滤波电容，能有效减少工作时直流母线电压中的脉动交流幅值，并能短时贮存操作切换开关时反馈的电感贮能，抑制由此引起的过压。C2为高频无极性滤波电容，因为，在高频逆变威廉希尔官方网站 中电解电容的等效串联阻抗会影响开关电流的能量吸收，所以，有必要在C1两端再并联此电容。

　　

 

　　图1 系统主威廉希尔官方网站

　　2 系统控制的实现

　　系统的中央控制器由Motorola公司的MR16单片机完成。逆变器的输出电压经交流电压传感器反馈给单片机AD接口，经单片机采样及闭环控制运算，获得相应的SPWM控制信号输出。该单片机同时完成对电网电压的采样以判断电网故障与否，根据判断再控制切换威廉希尔官方网站 完成电网电压与逆变器电压的相互切换。

　　2.1 直流侧电压的采样

　　为了保护蓄电池，防止过度放电，需要对直流侧电压进行实时检测。直流侧电压的采样威廉希尔官方网站 有多种形式，为了提高系统的可靠性，最好对主威廉希尔官方网站 和控制威廉希尔官方网站 进行电隔离。本系统对直流侧电压的采样威廉希尔官方网站 如图2所示，为了使主威廉希尔官方网站 和控制威廉希尔官方网站 隔离，并且不增加控制威廉希尔官方网站 的难度和复杂度，本文采用了双光耦隔离的采样威廉希尔官方网站 。直流电压经过光耦隔离降压后输入到单片机的AD采样口，这样就能够实现高精度的直流电压隔离采样。

　　

 

　　图2 直流侧电压采样威廉希尔官方网站

　　2.2 交流输出电压的采样

　　交流输出电压的采样也可以采用光耦采样的方法，只须再增加一路完全一样的威廉希尔官方网站 作为负电压采样即可，但这样增加了威廉希尔官方网站 的复杂程度。由于交流电压是作为反馈电压输入，其采样精度势必影响输出电压的控制精度，所以，系统采用TVA1412电压传感器，其采样威廉希尔官方网站 如图3所示，既起到了电隔离作用又保证了较高的采样精度。交流电压经过TVA1412的传输比为R10/R11。由于变压器对交流电压采样必然有正负之分，而单片机的输入只能为正，故使用-2.5V基准电压将输入信号采样值抬高2.5V，以保证输入单片机采样口的电压为正。

　　

 

　　图3 交流电压采样威廉希尔官方网站

　　2.3 锁相同步的实现

　　在UPS的设计中，锁相同步技术是衡量UPS系统性能好坏的一个重要指标。UPS能够实现市电旁路供电与逆变器供电之间的可靠转换的前提是，市电的交流电压与逆变器的交流输出电压必须同频率、同相位和同幅值。如果UPS在执行转换的瞬间，由于两路交流电源的电压值不同，因而会出现瞬态电压差ΔU，如果用户在具有过大的ΔU情况下执行切换操作，有可能会对负载产生电流冲击。

　　逆变器正弦波的输出，是通过建立一个正弦表，在中断程序中由正弦指针读取正弦表值，并进行相应脉宽计算产生SPWM波形输出。正弦指针为零时对应的输出正弦波相位也为零，所以，当检测到电网零相位点时，可以通过比较正弦指针的值来判断是否锁相，指针为零则表明逆变器正弦波输出与电网电压波形锁相同步，否则，就要通过移相跟踪电网电压相位。但是，如果一检测到零相位就将正弦指针清零，势必会引起较大的冲击电流，并且这样抗干扰能力弱，所以，系统采用逐次逼近锁相方式。具体方法是：每检测到一次零相位点，就判断当前正弦指针是否为零，为零表明已经锁相，不为零，则判断正弦指针处于正弦表的正半周还是负半周，位于正半周时就将正弦指针减1，位于负半周就将正弦指针加1，如此反复循环直到锁相为止。显然，锁相同步要在PWM中断程序中实现。

　　2.4 切换威廉希尔官方网站 的设计

　　现在常用的方法是用晶闸管作切换开关,普通晶闸管的开通时间为几μs，关断时间约为几百μs，开、关时间之和不超过1ms。图1中采用晶闸管反并联连接结构，由于母线上流过的是正弦全波，以V1、V2为例，就必然形成在正弦波的正半周V2导通、V1关断,在负半周则V1导通、V2关断，这样就保证了流过负载的电流是完整的正弦波。普通晶闸管是半控器件，其关断依赖于给阳极施加反向电压。当电网故障时，首先，去掉V1和V2上的门极触发信号，假设这时正处于正弦波的正半周，V1显然关断，但还没有使V2关断，这时再给V3和V4的门极施加触发信号，V4导通，由于电网故障(停电或电压偏低)，这时就会在V2的阳阴极之间产生电压差，其方向是阴极高于阳极，使V2关断，从而切断电网，由此可见两者之间没有环流。当市电电网恢复时，也是同理的。实验证明采用上述方法是可行的。

　　3 实验结果

　　按照上述设计思路制作了一台5kW样机，实验结果如图4所示。图4(a)是逆变器空载输出时的电压波形，图4(b)是逆变器满载输出时的电压波形，图4(c)是当电网断电时，从电网切换到逆变器输出时的负载电压波形(通道1为电网波形，通道2为负载侧电压波形)。由图4可以看出，系统能输出较好的正弦电压，切换时间约2ms左右，能满足负载和用户要求。

　　

 

　　(a) 逆变器空载时输出电压波形

　　

 

　　(b) 逆变器满载时输出电压波形

　　

 

　　(c) 电网断电时从电网切换到逆变器输出时的电压波形

　　图4 系统输出波形

　　4 结语

　　采用上述思想设计了一台样机，通过实验证明了该样机能稳定工作，切换时间短,各项性能指标均已达到UPS设计要求。