摘 要：較早的UPS一般是為計算機(jī)在停電時繼續(xù)供電，在其他領(lǐng)域的應(yīng)用較少。然而，隨著微型計算機(jī)的應(yīng)用和信息處理技術(shù)的普及，人們對電源的要求越來越苛刻。文章主要首先簡要介紹了一種基于MC9S12XS128的UPS逆變系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，在此基礎(chǔ)上著重介紹了相應(yīng)的軟件設(shè)計。

關(guān)鍵詞：UPS；MC9S12XS128單片機(jī)；PID

引言

隨著各個方面技術(shù)的發(fā)展，各行各業(yè)都會用到UPS不間斷電源。文章的UPS逆變器總體設(shè)計方案如圖1所示：由IGBT組成的三相橋式逆變電路作為逆變器的功率單元；由EXB841驅(qū)動芯片組成的驅(qū)動電路；為了讓逆變器控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定，于是采用冗余設(shè)計：兩套由飛思卡爾公司生產(chǎn)的MC9S12XS128的#1和#2組成的控制系統(tǒng)（兩個互為備用）共用一套功率單元和驅(qū)動單元。逆變器輸入來自蓄電池提供的直流電源，通過三相全控IGBT逆變橋，逆變器控制系統(tǒng)產(chǎn)生SPWM脈沖的控制下，然后由專門設(shè)計的隔離變壓器（一次側(cè)是Δ連接，二次測是星形連接）隔離，濾波后生成正恒定頻率的弦交流電壓輸出。其中二極管是由快速晶閘管組成的靜態(tài)開關(guān)，實現(xiàn)不間斷供電的裝置。

圖1 逆變器總體設(shè)計方案

1 系統(tǒng)軟件設(shè)計

文章用結(jié)構(gòu)化的編程方法，程序由主程序和若干子程序模塊構(gòu)成，實現(xiàn)UPS逆變器控制軟件，每個子程序模塊的功能是相對獨(dú)立的。主程序可以調(diào)用子程序模塊實現(xiàn)對逆變器控制的功能。每個子程序模塊完成一個功能，將它們結(jié)合在一起就可以實現(xiàn)整個裝置的功能。它們包括初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、顯示模塊、SPWM脈寬調(diào)制波形生成模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、穩(wěn)壓穩(wěn)頻模塊、通信模塊、保護(hù)模塊。各自的作用如下：（1）顯示模塊實時顯示UPS的輸入和輸出電流，電壓和其他的狀態(tài)信息，通過和鍵盤操作和合作。（2）數(shù)據(jù)采集模塊就是對被測信號的不間斷的循環(huán)采樣，為單片機(jī)提供測量數(shù)據(jù)。（3）數(shù)據(jù)處理模塊就是將數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析，作為保護(hù)和控制模塊的依據(jù)。（4）SPWM脈寬調(diào)制波形生成模塊的功能是生成三相互補(bǔ)的SPWM波。（5）穩(wěn)壓穩(wěn)頻模塊的功能是使用PID控制算法并結(jié)合MC9S12XS128微處理器波形發(fā)生器PWM模塊的原理，從而實現(xiàn)逆變器輸出電壓和頻率的穩(wěn)定。（6）保護(hù)模塊是根據(jù)程序給定的邏輯來判斷UPS逆變裝置是否發(fā)生故障，從而讓單片機(jī)發(fā)出故障信號并采取相應(yīng)的保護(hù)措施。UPS主電源裝置與上位機(jī)的通信靠通信模塊來實現(xiàn)。如圖1所示為UPS逆變器的控制主程序流程圖。

下面對以下兩個方面進(jìn)行詳細(xì)的軟件設(shè)計介紹：

1.1 SPWM波生成模塊

MC9S12XS128單片機(jī)的PWM模塊特點：它有8個獨(dú)立的輸出通道，并且通過編程可控制其輸出波形的周期；每一個輸出通道都有一個精確的計數(shù)器；每一個通道的PWM輸出使能都可以由編程來控制；PWM輸出波形的翻轉(zhuǎn)控制可以通過編程來實現(xiàn)；周期和脈寬可以被雙緩沖。當(dāng)通道關(guān)閉或PWM計數(shù)器為0時，改變周期和脈寬才起作用；8字節(jié)或16字節(jié)的通道協(xié)議；有4個時鐘源可供選擇（A、SA、B、SB），提供了一個寬范圍的時鐘頻率；通過編程可以實現(xiàn)希望的時鐘周期；具有遇到緊急情況關(guān)閉程序的功能；每一個通道都可以通過編程實現(xiàn)左對齊輸出還是居中對齊輸出。下面分析如何通過對單片機(jī)編程產(chǎn)生三相互補(bǔ)的SPWM波形。主要包括載波頻率的選擇和正弦函數(shù)表的建立。

（1）載波fc的選擇。通常，PWM波形發(fā)生器的載波頻率應(yīng)該比調(diào)制波高很多倍，以確保低通濾波器的輸出電平可以通過調(diào)制頻率并且有效地抑制載波頻率。然而，載波頻率太高，則會降低PWM輸出分辨率。在此設(shè)計中，調(diào)制頻率為50Hz，選載波頻率fc=2500Hz的，可見載波頻率比調(diào)制頻率高得多。

（2）正弦函數(shù)表的建立。正弦電壓的建立是靠控制PWM波的占空比而形成的（要經(jīng)過低通濾波），為此要準(zhǔn)確知道一周期360°內(nèi)的正弦值。程序中可采用在線計算的方法，也可采用查表的方法。這里采用查表法。根據(jù)正弦函數(shù)的反對稱性，只須建立0°～180°的正弦函數(shù)表。每隔0.8°安排一項數(shù)據(jù)，每個數(shù)據(jù)占用2個字節(jié)，0°～180°內(nèi)共450個字節(jié)。若U相指針為SIN_PTR，則V相和W相指針分別為SIN_PTR+240°、SIN_PTR+120°，數(shù)據(jù)表只包含450個字節(jié)，超過450個字節(jié)時指針又循環(huán)從頭算起，即這里采用了循環(huán)數(shù)據(jù)表。當(dāng)然，在軟件中要確定各相的值的正負(fù).波形發(fā)生器輸出電壓的幅值Uk的變化取決于PWM占空比的變化百分比，即調(diào)制深度。根據(jù)輸出電壓的幅值Uk和查表所得的正弦表值可計算出三相SPWM波形占空比的瞬態(tài)值：U_PH=MID±（Uk*SIN_VALUE）/10000，式中是U相的瞬態(tài)值。當(dāng)在0°～180°之間時上面公式中取“+”，在180°360°之間取“-”。公式中除以10000在建立正弦函數(shù)表時己考慮進(jìn)去了。初始化的內(nèi)容有：PWM啟動寄存器PWME、PWM時鐘選擇寄存器PWMCLK、PWM預(yù)分頻寄存器PWMPRCLK、PWM極性選擇寄存器PWMPOL、PWM波形對齊寄存器PWMCAE。

1.2 穩(wěn)壓穩(wěn)頻模塊

UPS輸出電壓和頻率與逆變器的直流輸入電壓和負(fù)載的變化而變化，我們需要保持一個穩(wěn)定的UPS輸出電壓和頻率。要逆變輸出的電壓和頻率的穩(wěn)定。通過負(fù)反饋回路實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)功能，采用傳統(tǒng)的PID算法、SPWM調(diào)制深度調(diào)整系數(shù)來實現(xiàn)頻率的穩(wěn)定。在圖2中所示的調(diào)節(jié)子程序，可以實現(xiàn)穩(wěn)定電壓的功能，在圖3中所示的調(diào)節(jié)子程序，可以實現(xiàn)穩(wěn)定頻率的功能。通過改變SPWM載波頻率fc的周期數(shù)來實現(xiàn)。如圖4所示為PID子程序流程圖。

2 結(jié)束語

文章首先提出了基于單片的UPS逆變系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，在此基礎(chǔ)上著重介紹了SPWM波生成以及穩(wěn)壓穩(wěn)頻的算法。

作者簡介：劉柳（1993，12-），男，漢族，四川省德陽市西湖街，本科，學(xué)生，研究方向：電氣工程及其自動化。