基于PSOC單片機(jī)的UPS設(shè)計

趙 暉

（浙江國際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江舟山 316000）

為保障網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全運(yùn)行，必須配備UPS（Uninterruptible Power System，不間斷電源），以避免市電不能正常供電時對其造成的損失。UPS是一種以電池為儲能裝置，以逆變器為主要組成部分的恒壓恒頻的不間斷電源。由于非正弦交流電會對負(fù)載設(shè)備造成損壞，設(shè)計中采用PSOC單片機(jī)實(shí)現(xiàn)SPWM波形，從而實(shí)現(xiàn)UPS輸出正弦交流電；另一方面，由于電池之間的不一致性，會導(dǎo)致在放電過程中，性能較差的電池容量迅速降低，影響整個電池組的可用容量，縮短供電時間，為避免這種情況，在控制系統(tǒng)中添加均衡電路對UPS的性能有重要意義［1］。

1 系統(tǒng)工作原理

圖1 系統(tǒng)工作結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)工作原理如圖1所示，當(dāng)市電正常時，逆變電路不工作，直接通過旁路給負(fù)載供電，同時通過充電器給蓄電池充電；當(dāng)市電出現(xiàn)故障時，電源切換開關(guān)自動切換到蓄電池供電，逆變電路開始工作，單片機(jī)輸出SPWM控制波形，電路輸出220V、50HZ正弦交流電給負(fù)載供電。在充電過程中，通過電池電壓檢測，當(dāng)電池需要均衡時，邏輯控制器對均衡模塊進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)均衡［2］。

2 控制電路硬件設(shè)計

2.1 CY8C32系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

CY8C32系列單片機(jī)是超低功耗閃存可編程片上系統(tǒng)器件，圍繞CUP子系統(tǒng)提供了多個可配置的模擬、數(shù)字和互連電路模塊。此芯片可提供64KB的閃存，具有8KB的SRAM和2KB的EPROM，對于該UPS的控制系統(tǒng)來說完全夠用。芯片具有8／16位的PWM和定時器模塊，通過硬件及軟件的正確設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)SPWM波形，從而使逆變模塊輸出高精度的正弦交流電，供負(fù)載使用；同時，轉(zhuǎn)換器可以配置成輸出8／12位的分辨率，采樣速率最高可達(dá)384ksps［3］，減少了中斷程序的執(zhí)行時間，能夠在市電故障時，立即啟用蓄電池給負(fù)載供電，為負(fù)載不間斷工作提供了可靠保證。

2.2 電池電壓的檢測

電池電壓檢測是UPS系統(tǒng)中重要部分，檢測數(shù)據(jù)會用在均衡、過壓、欠壓等保護(hù)功能中，檢測數(shù)據(jù)的好壞直接影響著UPS的使用性能。

本文設(shè)計中對電池電壓的檢測是采用LTC6802芯片，它是一個完整的帶12位模數(shù)轉(zhuǎn)換、精確電壓參考、高壓多路輸入和串行接口的電池電壓檢測芯片，在普通模式下，最多可以檢測串聯(lián)到一起的12節(jié)電池的單體電壓［4］。通過單片機(jī)的控制，可以及時讀出所檢測出的每節(jié)電池電壓，高精度和快速的檢測，可以讓單片機(jī)及時對均衡電路做出正確的控制，同時在過壓、欠壓情況下，邏輯控制器可以對電池進(jìn)行有效的保護(hù)。

2.3 均衡電路設(shè)計

由于各節(jié)電池之間的不一致性，串聯(lián)電池組的容量將由容量最小的單節(jié)電池決定，這種情況會導(dǎo)致供電時間短，電池組使用壽命縮短。為了解決不均衡對電池造成的影響，在使用過程中需要使用均衡模塊。目前主要分為能量耗散型和能量非耗散型兩類均衡，該設(shè)計方案中采用能量非耗散型均衡電路［5］。均衡控制原理框圖如圖2所示。

圖2 均衡控制原理框圖

圖2 中的均衡方案是充電開始時，先由充電器對電池組進(jìn)行大電流充電，電池的容量迅速增長，由于電池之間的不一致性，不能同時達(dá)到電池的最大容量，當(dāng)其中一節(jié)電池的容量達(dá)到最大值時，停止對電池進(jìn)行大電流充電。通過檢查各節(jié)電池的電壓值，當(dāng)最大值與最小值之間的差值大于設(shè)定值時，邏輯控制器進(jìn)入均衡模式，邏輯控制器控制均衡電路，對容量較低的電池進(jìn)行補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)能量非耗散型均衡［6－7］。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 SPWM波形的產(chǎn)生

CY8C32系列單片機(jī)有8位分辨率的PWM模塊和定時器模塊，PWM模塊具有可配置捕獲、死區(qū)等特點(diǎn)。當(dāng)市電出現(xiàn)故障，不能繼續(xù)為負(fù)載供電時，通過相位采集系統(tǒng)，計算出市電停止供電時的市電相位，單片機(jī)控制逆變電路，使其輸出相位相同的正弦交流電，實(shí)現(xiàn)鎖相同步。該系統(tǒng)采用的是全橋逆變，需要兩個互補(bǔ)的SPWM波形信號。

圖3是全橋逆變原理圖，邏輯控制器輸出兩個互補(bǔ)的SPWM波形，經(jīng)過專用的驅(qū)動芯片隔離放大后加到場效應(yīng)管的柵極，分別驅(qū)動Q1、Q4和Q2、Q3兩組場效應(yīng)管，兩組場效應(yīng)管不能同時導(dǎo)通。

圖3 全橋逆變電路

在軟件設(shè)計中，首先建立正弦表，在一個完整正弦周期中，取64個采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)正弦值與正弦波峰值的比值就是該點(diǎn)SPWM信號的占空比，根據(jù)SPWM周期計算出每個點(diǎn)的脈寬值，做成正弦表，計算公式如1所示。

在程序中將正弦表賦值給數(shù)組，然后PWM波形發(fā)生模塊每個PWM周期進(jìn)入一次中斷，在ISR中按照正弦表更改PWM比較器的值，依次循環(huán)即可［8－9］。由于同一橋臂的兩個場效應(yīng)管是互補(bǔ)導(dǎo)通，必須設(shè)置死區(qū)時間才能避免橋臂直通現(xiàn)象，通過PWM模塊中的PWM＿WriteDead－Time（deadtime）函數(shù)設(shè)置死區(qū)時間，通常設(shè)置2－4個時鐘循環(huán)，死區(qū)將在pwm1上顯示，從而避免橋臂直通現(xiàn)象。

3.2 控制系統(tǒng)流程設(shè)計

系統(tǒng)主控制程序流程圖如4所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

通過實(shí)驗(yàn)，通過PSOC單片機(jī)控制輸出的SPWM波形，在濾波后，可以使逆變電路輸出穩(wěn)定的正弦交流電。該設(shè)計方案中采用了均衡控制技術(shù)，均衡實(shí)驗(yàn)效果如圖5所示，在初始階段，電池組中各節(jié)電池的電壓分布范圍比較大，進(jìn)入均衡模式，對電壓較低的電池進(jìn)行補(bǔ)充，在圖5最后階段，可以看出電壓范圍相對于無均衡電路控制的系統(tǒng)，該系統(tǒng)使UPS供電時間長，電池容量利用效率高，同時均衡還可以增長電池壽命。

圖4 控制系統(tǒng)流程圖

圖5 電池均衡效果

5 結(jié) 語

本文基于PSOC3系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)后備式UPS控制系統(tǒng)，其主要特點(diǎn)是：

（1）采用全橋逆變，單片機(jī)輸出SPWM控制波形，可以讓逆變電路輸出高質(zhì)量的正弦交流電；

（2）系統(tǒng)中采用了均衡控制技術(shù)，均衡使電池容量利用效率高，使用時間長，并且延長電池壽命；

（3）采用PSOC3系列單片機(jī)，通過單片機(jī)豐富的可配置模塊陣列，可以減少電子元器件數(shù)量，同時不需要寫底層代碼，減少代碼設(shè)計時間。

（4）通過單片機(jī)的快速采集和控制，可以有效的實(shí)現(xiàn)市電與UPS轉(zhuǎn)化的鎖相同步；

（5）通過單片機(jī)的智能控制，簡化結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的智能性和可靠性?？梢詫?shí)現(xiàn)欠壓，過壓，超載等自我保護(hù)。

1 曹保國.UPS應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

2 葉愛芹.基于單片機(jī)的單相后備式UPS的設(shè)計［J］.安徽技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報，2002（4）：37－39.

3 何賓.8051片上可編程系統(tǒng)原理及應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

4 雷娟，蔣新華.鋰離子電池組均衡電路的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.電池，2007（1）：62－63.

5 李紅林，張承寧.鋰離子電池組均衡充電和保護(hù)系統(tǒng)研究［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報，2004（3）：210－213.

6 毛攀峰，朱宏輝，謝朝文.動力型鋰電池組均衡控制方案研究［J］.物流工程與管理，2011，33（4）：165—167.

7 陳增祿，毛惠豐等.SPWM數(shù)字采樣法的理論及應(yīng)用研究［J］.中國機(jī)電工程學(xué)報，2005（1）：32－37.