本站原创摘 要重点介绍了基于单片机PIC16F722后备式UPS逆变电路的设计,包括单片机的性能简介,后备式UPS的原理及实现,以及硬件与软件方面的设计,并给出系统的仿真结果,以验证功能实现的可能性.
关 键 词单片机,后备式UPS,逆变,SPWM
中图分类号：TN86文献标识码：A文章编号：1671-7597（2014）21-0008-02
UPS（UninterruptiblePowerSystem/UninterruptiblePowerSupply）,即不间断电源,是向用户的关键设备（如：互联网数据中心、民航和铁路售票系统、大规模集成电路的流水生产线等）提供高质量的无时间中断的交流电源的重要设备.因而不断提高UPS电源的性价比已成为人们一直在探索和研究的课题.现在许多单片机都具有产生SPWM波的功能,由于单片机电路相对简单可靠,加上其对参数和数据处理、显示和监控的性能,更有利于系统的控制.本文就是介绍了采用PIC16F722单片机产生SPWM波来控制UPS电源中的逆变系统.
1PIC16F722单片机介绍
PIC16F722单片机是Microchip公司的单片机系列产品之一,它是一种8位的CMOS闪存单片机和高性能的RISCCPU.工作电压在1.8V-5.5V之间,具有高精度的内部振荡器,可选16MHz或500kHz的工作频率.在其外部提供了28个引脚,具有11个8位A/D通道,2个捕捉/比较/PWM模块和3个定时器,12个中断源.存储容量FLASH为2048字节,SRAM为128字节.内部采用哈佛总线的简单指令结构,将程序和数据存储在不同的存储空间中.这样减轻程序运行时的访存瓶颈,能基本上解决取指和取数的冲突问题.
2后备式UPS原理及实现
后备式UPS主要由滤波器、充电器、逆变器、变压器及其转换开关等组成.其能完成对调控功能主要包括：
1）当市电供电正常时（市电处于175～264V）,将原来电压变化起伏很大的市电电源经过由低通滤波器对来自市电电网的高频干扰进行适当的衰减抑制后分两路去控制后级的正常
运行[1]：
①经充电器对位于UPS机内的蓄电池组充电,以备一旦市电供电中断时,有能量支持UPS的正常运行.
②经位于交流旁路供电通道上的“变压器抽头调压式稳压电源”对电压变化起伏较大的市电电源进行稳压处理.此时,逆变器在逻辑控制电路的调控下,一直处于停机待命状态.
2）当市电供电不正常时（市电低于175V或高于264V）,由机内的逆变器电源向负载提供50Hz的正弦波稳压电源.在UPS逻辑控制电路的调控下,UPS中的各关键部件将按下述方式
运行：
①充电器停止工作.
②逆变器在由蓄电池组所提供的直流能源的支持下,向外提供50Hz有效值为220V的正弦波或方波稳压电源.
③转换开关在切断交流旁路供电通道同负载之间的连接同时,将负载同逆变器电源的输出端连接起来,从而实现由逆变器电源向负载供电的转变[1].
3采用PIC16F722的后备式UPS逆变电路的设计
1）硬件电路设计.
单片机采用的是PIC16F722,后备式UPS设计中逆变部分采用的是IGBT,即绝缘栅双极型晶体管,是一种自关断器件,同时具有功率晶体管GTR和功率场效应管MOET的优点,电路结构选用单相全桥逆变结构[2].
UPS输出电压需要稳定性,在逆变电路设计中,调整SPWM信号脉宽,用来得到稳定的输出电压.系统在设计中使用电压反馈闭环电路,PIC单片机的A/D转换口接收到输出电压转换的1～5V的电压信号,输出反馈的电压值,然后用来改变SPWM信号的脉宽.
由单片机内部软件产生的SPWM控制信号经逻辑门电路74HC00和74HC04芯片变化后,用来驱动逆变全桥,产生的四路驱动信号再经由TLP250这一专用的驱动芯片进行隔离和放大,然后加到IGBT的栅极,见图1和图2.
图1SPWM波形变换电路及驱动电路
图2单相全桥逆变电路
2）软件设计.
PIC16F722单片机内部有两个CCP模块,CCP1和CCP2,具有捕捉、比较、PWM三种模式.两者的区别在于特殊的事件触发.PWM的信号主要在周期和占空比的控制上,PIC16F722的PR2寄存器中储存着PWM的周期,脉宽储存在寄存器CCPR1L或CCPR2L[4].控制PWM信号的过程就是单片机内部的计数器与这两个寄存器中值的比较,使得输出的电平变化.
PIC16F722利用该模块具有的PWM功能,软件控制两路SPWM波形的输出.再将这两路SPWM波利用互补导通原则变换成4路,经隔离放大后驱动IGBT逆变器,实现对输出的控制.SPWM信号脉宽是按正弦规律变化的,其频率高周期短,PWM周期设定好后,利用定时器定时产生周期性中断,使得脉宽得到变化,得到SPWM波.在本文的逆变系统设计中,PIC单片机时钟为20MHZ,采用CCP1的比较功能,CCP2的PWM功能,计算指令器即计时步阶为0.2us,SPWM周期为20KHZ,设置每六个周期改变一次脉宽,经过滤波电路后的波形能够满足精度要求.
软件设计中的中断怎么写作程序：CCP1的比较中断、T0定时中断和AD转换中断[5].先是CCP1中断,按正弦表输出SPWM波,然后是T0中断,A/D转换,最后是A/D中断,周而复始,无穷循环.最终由CCP1输出的SPWM波形一段如图3所示.
图3SPWM波形一段
①CCP1比较中断.取一个完整的正弦周期中64个点,能通过计算得到各个点的脉宽值,计算计时步阶,生成可供CCP1子程序（调整SPWM占空比）调用的正弦表,采样点的时间间隔以计时步阶的形式存储到CCPRIH和CCPR1L寄存器中,供给TIMER1比较.当比较的结果与设定值相同时,CCP1中断,计数器需要重新计时,如图4.
图4CCP1中断流程图
②T0定时中断.初始周期设为153us,一次中断后,修正周期为306us,用来对输出电压反馈值采样的A/D转换.
③A/D转换中断.周期为20us,A/D转换完成时产生中断.
4结束语
本文介绍的是基于单片机PIC16F722的后备式UPS中逆变电路的设计,使用单片机实现SPWM,控制电路简单可靠,软件产生SPWM波,降低了对硬件的要求,成本也能够得到控制.