原标题：基于PIC16F74控制的高频化真在线式UPS网络监控的控制方案

　　基于PIC16F74控制的高频化真在线式UPS

　　摘要：介绍了一种采用PIC16F74微处理器的UPS及设计高频化在线式UPS的同步、稳压、网络监控的控制方案。

　　关键词：不间断电源;微处理器PIC16F74;同步控制;PI调节

　　1 引言

　　信息网络时代下数据文件的安全保护离不开UPS，而网络化，智能化、小型化，代表着UPS的发展趋势。传统的UPS采用模拟电路控制,存在着体积大，产品一致性差,升级换代难,网络监控难,保密性差等缺点,逐渐被基于MCU控制的数字化UPS所代替。美国著名的芯片供应商Microchip最近推出的PIC16F74，是一款精简指令型(RISC)高性能的CPU，仅有35个单字节指令，其带有8路8位AD，双路PWM输出，3个定时/计数器，带UART接口，195个字节RAM，4k×14Bit的Flash存储器，保密性好，其指令速度在外部晶振20MHz下，可达200ns的指令周期。

　　下面介绍基于此款MCU的UPS控制方案。

　　2 UPS控制方案

　　基于PIC16F74控制高频化真在线式UPS，其基本结构如图1所示。

　　图1 基本结构图

　　该系统在任何电力情况下，逆变器始终是工作的。当电网正常时，它通过PFC功率因数校正实现AC/DC转换，IGBT脉宽调制技术使逆变器输出高质量的正弦交流电，同时通过充电电路对电池组进行充电。当电网出现浪涌、陷落、低压、高压、频率异常等情况时，由后备电池供电，DC/DC升压经逆变器输出交流正弦波。只有当UPS内部出现工作环境温度过高、过载等异常情况下，才由旁路输出。

　　利用PIC16F74的资源，在此控制系统中采用正弦波脉宽定点查表技术，可实现产生逆变器的SPWM信号，检测逆变器电压、市电电压频率、机内温度，电池充放电管理，处理市电频率及逆变频率锁相，控制市电到电池及电池到市电模式声光报警，处理输出负载情况(包括短路)及与上位机通信等。

　　MCU控制的UPS的难点主要在于处理市电频率与逆变器频率锁相同步，逆变器输出电压快速稳压，智能电池充放电管理，以及网络监控功能等。

　　下面，对这四个问题提出解决方案。

　　2.1 市电频率与逆变器频率锁相

　　为保证UPS无环流切换，要保证市电旁路电压与逆变器输出电压同相位须做软件锁相，其相关硬件如图2所示。

　　图2 锁相电路

　　RB0接收的信号为实时跟踪市电的方波信号，CCP1输出为SPWM的指令脉冲，其经过一个有源滤波电路形成模拟基准正弦指令电压，在与另一电路的高频三角波叠加形成主调制电路，产生逆变所需的指令脉冲信号来驱动IGBT完成逆变。

　　同步跟踪原理：利用RB0口上升沿中断，启动计数器，便可求出市电频率fline，判断是否需同步锁相，再比较市电过零点与CCP1输出的PWM指令脉冲的过零点，若超前，PWM指令正弦表过零减点;若滞后，则过零增点，直至两差值小于5，便可直接相位锁定，而超过误差范围，则PIC16F74开始跟踪市电，进行SPWM指令脉冲点数调整。

　　2.2 逆变器输出电压稳压

　　输出正弦波电压的动态响应作为衡量UPS品质的主要指标，能否做到快速稳压是十分重要的。利用PIC16F74的8位AD定时采集逆变器输出电压作为反馈，在MCU内部构成含软件PI调节器电压环，保证输出电压有效值不变，实现零误差调节。同时在AD采样误差范围内为保证输出电压不过于频繁跳动，还必须运用软件滤波技术对输出电压进行微调。SPWM的输出脉宽系数Mk由式(1)计算：

　　Mk=Mk-1+C0Ek-C1Ek-1(1)

　　式中：Ek为电压误差值;

　　C0为积分系数;

　　C1为比例系数。

　　输出脉宽τ由式(2)计算：

　　τ=A+B|Mk|sin(2πK/P)(2)

　　式中：P为一个周期正弦波所分的点数;

　　A，B为常数;

　　K=0,1,2,……P。

　　再由查表法计算出输出脉宽。

　　2.3 智能电池充放电管理

　　智能电池充放电管理主要由以下几个方面组成：

　　1)电池均、浮充自动控制及转换;

　　2)电池充电的温度补偿;

　　3)根据不同的放电电流设计不同的放电电压保护点;

　　4)定期对电池进行放电测试管理以判断电池的老化程度。

　　利用相应的AD口进行输入采样(电池电压，机内环境温度)，采用PWM2口进行输出控制(充电电压)。根据不同的负载查表算出电池的ΔV/ΔT数值，以判别电池的老化程度。

　　2.4 智能监控

　　遥控、遥信、遥测作为UPS的重要指标，利用PIC16F74的UART(异步串行口)，可以方便实现UPS输出标准RS232信号。

　　PIC16F74有个波特率设定寄存器SPBRG，可设定各种波特率，考虑到UPS控制实时性很强，数据传输会消耗时间，选择一个合适的波特率及通信协议很重要。该方案中，波特率选为2400bit/s，UPS为被动发送数据，即所有的命令由上位机发出，UPS根据接到的帧标志，作为执行动作的依据。

　　3 结语

　　上述控制方法实用可靠，已运用在1kVA～6kVA的高频化在线式UPS系列产品中。