【正文】 顯示接口圖48 逆變器控制框圖 需要注意的是，在PWM脈沖輸出電路設計中，雖然利用80C196MC單片機可編程產(chǎn)生三相互補PWM脈寬調(diào)制波，但是從單片機發(fā)出的PWM信號不能直接和逆變器主電路的IGBT單元模塊相連接這是因為信號驅(qū)動功率不夠。一般單片機的I/O口驅(qū)動能力很弱。因此從單片機輸出的PWM信號必須經(jīng)過功率驅(qū)動才能有效驅(qū)動IGBT；同時信號與主電路必須進行嚴格的電位隔離。逆變器的主電路處在高電壓、大電流的強磁場的環(huán)境中，如果從單片機發(fā)出的PWM信號直接接入主電路，主電路的強磁場及其他電磁信號勢必干擾單片機的正常工作。因此在PWM信號接入主電路之前必須進行嚴格的電位隔離。測量包括相位測量、頻率測量、電壓變送器測量、電流變送器測量等。相位和頻率測量電路都是利用80C196MC單片機的EPA功能實現(xiàn)的。通過其捕獲口捕獲脈沖跳沿到來時刻，并記錄下來。電路如圖49所示：圖49 頻率和相位測量電路此頻率測量電路的原理是將輸入的正弦波信號變換成方波信號，再送到80C196MC單片機的EPA功能捕獲口，利用方波信號的跳變沿觸發(fā)單片機產(chǎn)生中斷。單片機以測周的方式，根據(jù)相鄰兩次中斷的時間差來測量信號的周期，從而獲得信號的頻率。圖49中，電阻R1, R2, R3, R4和電容Cl及運放Al組成有源濾波電路；電阻R5, R及C2, C3組成帶通濾波電路，通過選擇合適的參數(shù)，可使濾波器的通帶中心頻率接近工頻50HZ。運放A2接成過零電壓比較器形式，采用正反饋接線方式是為了使比較器性能穩(wěn)定，并滿足一定的精度要求。電壓、電流變送器指常用PT、CT以及霍爾電流傳感器LEM等。通過它們實現(xiàn)主電路的高電壓、大電流降壓、隔離送至低壓信號采集電路，進而進入單片機進行處理。主要包括開關(guān)量如繼電器保護信號等的輸出和一些狀態(tài)信號如指示燈、光字牌等的輸出。開關(guān)量輸出須經(jīng)過光電隔離器件、驅(qū)動電路接入諸如繼電器等輸出電路中。設計中，利用80C196MC單片機的P5口及其他口共10路作為標I/O口輸出。對不間斷UPS裝置的要求是：不但能不間斷地向負載供電，而且還要求它在負載或交流輸入電源發(fā)生變化時，應具有穩(wěn)定的輸出電壓。但是因為整流器的輸出作為逆變輸入，是經(jīng)常變化的；同時負載的變化也使得逆變輸出出現(xiàn)不穩(wěn)定。由前面設計可得逆變器相對于直流電源中點的輸出相電壓的基波分量為：由此公式可知輸出相電壓的基波幅值為，因此，只要改變調(diào)制深度系數(shù)ɑ即可調(diào)節(jié)逆變器輸出基波幅值的大小。在本逆變器控制系統(tǒng)中加入了電壓負反饋環(huán)節(jié)構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)正弦脈寬調(diào)制SPWM的調(diào)制深度系數(shù)來實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。并采用了PID控制算法來實現(xiàn)。即將逆變輸出與給定值(如220V/380V)的差值作為調(diào)節(jié)量，根據(jù)逆變輸出電壓變化的程度，采用不同的比例、積分、微分系數(shù)來達到穩(wěn)定輸出的目的。 除了這些基本電路模塊外，還有同步鎖相電路、顯示電路、通訊接口電路、系統(tǒng)工作電源電路等，但是這些都不是本設計的重點，這里就不再進行贅述。 UPS逆變器控制軟件設計UPS逆變器控制軟件采用結(jié)構(gòu)化程序設計方法，即程序由主程序和若干個子程序模塊組成，各個子程序模塊的功能相對獨立。這種模塊化設計給程序的編寫和功能的擴展帶來了方便。主程序完成整個UPS逆變器控制的流程和子程序模塊調(diào)用等功能。子程序模塊完成整個裝置的不同功能的實現(xiàn)。它們包括初始化模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、SPWM脈寬調(diào)制波形生成模塊、穩(wěn)壓穩(wěn)頻模塊、同步鎖相跟蹤模塊、通訊模塊、保護模塊等。始化模塊的主要功能是完成單片機的有關(guān)初始化設置，包括有關(guān)端口的選通、功能的選擇，通訊工作模式及波特率的設置，以及中斷的允許等。顯示模塊的功能是實時顯示UPS輸入輸出電流、電壓值，以及其他狀態(tài)信息和保護信息等，并和鍵盤操作相配合，實現(xiàn)保護裝置的人機界面。數(shù)據(jù)采集模塊的功能是實現(xiàn)對八路被測信號的不間斷循環(huán)采樣。數(shù)據(jù)處理模塊的功能是根據(jù)一定的算法，對采樣數(shù)據(jù)進行處理，從而獲得被測信號的基波有效值，作為其他控制和保護的依據(jù)。SPWM脈寬調(diào)制波形生成模塊的功能是生成三相互補正弦PWM波。穩(wěn)壓穩(wěn)頻模塊的功能是采用PID控制算法并結(jié)合80C196MC單片機波形發(fā)生器WFG的SPWM波形產(chǎn)生機理進行調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)電壓和頻率的穩(wěn)定。同步鎖相跟蹤模塊的功能是實現(xiàn)逆變器在線工作與后備旁路工作狀態(tài)的零時間不間斷切換。保護模塊的功能是根據(jù)程序給定的判斷邏輯判斷UPS電源裝置是否有故障發(fā)生，從而采取相應的保護措施。通信模塊實現(xiàn)UPS主電源裝置和上位管理機的通信。UPS逆變器控制主程序流程如圖410所示:開始初始化設置Watchdog顯示處理輸入檢測保護PID控制鎖相跟隨串口通訊顯示更新返回圖410 UPS逆變器控制主程序流程圖下面我們根據(jù)本次設計的主要任務和重點，著重對以下幾個方面進行設計，其他的不再作為重點敘述。數(shù)據(jù)采集模塊的功能是以PTS中斷的方式來實現(xiàn)八路信號的采樣。實際中要求一個周波采樣12個點，并且希望八路采樣同時進行。因此采用了80C196MC單片機的外設事務服務器PTS的A/D模式來實現(xiàn)上述采樣操作。數(shù)據(jù)采集模塊程序流程圖如圖411所示：中斷入口PSW入棧，禁止中斷采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移存儲存儲指針加2滿12個點重新允許PTS A/D中斷波確定下一次采樣時刻，啟動ACH0中斷PSW出棧，開中斷返回指針回到起始點YN圖411 PTS數(shù)據(jù)采集模塊程序流程圖在前面已詳細分析了8OC196MC單片機PWM波形發(fā)生器WFG產(chǎn)生的原理。下面分析如何編程產(chǎn)生三相SPWM互補波形。1)載波fc的選擇一般來說，波形發(fā)生器中的PWM波形的載波頻率應比調(diào)制波的高若干倍，以保證輸出級的低通濾波器能順利通過調(diào)制頻率而有效地抑制載波頻率。但載波頻率過高，會降低PWM輸出的分辨率。在本設計中，調(diào)制頻率為工頻50HZ，選fc=2500HZ，比50HZ高出很多。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)，為此要準確知道一周期360186。內(nèi)的正弦值。程序中可采用在線計算的WFG中斷入口SinPTR450SinPTR1=SinPTR—450UPH=MID+UkSin[ptr]UPH=MIDUkSin[ptr1]YNSinPTR1=SinPTR+600SinPTR1950SinPTR1=SinPTR—900NYSinPTR1450VPH=MID+UkSin[ptr1]NYSinPTR1=SinPTR—450VPH=MID—UkSin[ptr1]SinPTR1=SinPTR+300SinPTR1900NSinPTR1=SinPTR1—900YSinPTR1450WPH=MID+UkSin[ptr1]NSinPTR1=SinPTR1—450WPH=MID—UkSin[ptr1]WGCOM1=UPH,WGCOMP2=VPH,WGCOMP3=WPHYSinPTR=SinPTR1+SinSTEPSinPTR1900YSinPTR=0返回N圖412 SPWM波形生成子程序流程圖方法，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0186。180186。的正弦函數(shù)表。，每個數(shù)據(jù)占用2個字節(jié)，0186。180186。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+240186。、SIN_PTR+120186。,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。當然，在軟件中要確定各相的值的正負。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)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=MID177。(Uk*SIN_VALUE)/10000,式中是U相的瞬態(tài)值。當在0186。180186。之間時上面公式中取“+”，在180186。360186。之間取“”。公式中除以10000在建立正弦函數(shù)表時己考慮進去了。WFG產(chǎn)生三相SPWM波形的程序流程，如圖412所示。其中初始化的內(nèi)容有:與WFG有關(guān)的中斷允許寄存器、WG_CON寄存器、WG_OUT寄存器、WG_PROTECT寄存器、WG_RELOAD寄存器即半周期數(shù)、相中間點等。3. 穩(wěn)壓穩(wěn)頻模塊穩(wěn)壓子程序PID入口調(diào)用穩(wěn)壓PID算法PID入口返回 穩(wěn)壓PID算法e(n)=VgUoute(n)－(n1)=0?比例項、積分項、微分項求和Uk返回NY(a )穩(wěn)壓子程序流程圖 (b) PID子程序流程圖圖413 穩(wěn)壓子程序與PID算法子程序流程圖UPS輸出電壓和頻率隨逆變直流輸入電壓的變化以及負載的變化而變化，我們需要UPS保持穩(wěn)定的輸出電壓和頻率。為此采用了穩(wěn)壓和穩(wěn)頻環(huán)節(jié)。穩(wěn)壓功能是通過電壓負反饋環(huán)節(jié)，軟件上采用傳統(tǒng)PID算法，調(diào)節(jié)SPWM的調(diào)制深度系數(shù)Uk來實現(xiàn)的。穩(wěn)壓子程序流程如圖413(a)、(b)所示。穩(wěn)頻功能是通過改變SPWM的載波頻率fc即改變半周期數(shù)來實現(xiàn)的。穩(wěn)頻子程序如圖414所示。穩(wěn)頻子程序Fout=50Hz?Fout50Hz?HALF_PERIOD—1HALF_PERIOD+1返回YNNY圖414 穩(wěn)頻子程序流程圖4. 同步鎖相跟蹤模塊為實現(xiàn)同步切換，需要進行同步鎖相跟蹤。當市電電壓和頻率均正常時，逆變器的電壓、頻率、相位同步跟蹤市電。利用80C196MC單片機EPA功能測出市電的頻率和相位以及數(shù)據(jù)采集測出市電電壓幅值。然后利用軟件實現(xiàn)頻率、相位、幅值的同步鎖相跟蹤。軟件流程圖如圖415所示。根據(jù)保護整定值和UPS輸入、輸出信號和其他狀態(tài)信號的采樣值判斷是否有故障發(fā)生，進而采取相應措施比如啟動繼電器跳閘或發(fā)信號報警。這個部分不是本設計的重點，這里就不再對其進行詳細的描述。其他各模塊的軟件設計這里也不再作詳細介紹。同步鎖相跟蹤子程序市電相位過零點？開始發(fā)SPWM脈沖fout=f市電?Uout=U市電?foutf市電?減小半周期數(shù)增加半周期數(shù)PID調(diào)節(jié)返回YNYNNYNY圖415 同步鎖相跟蹤子程序流程圖第五章 UPS旁路電源設計旁路電源是實現(xiàn)不間斷供電UPS裝置中一個不可缺少的部分，缺少它，UPS就不完善，就不能實現(xiàn)不間斷供電。旁路電源有靜態(tài)旁路和維修旁路兩部分組成。前者作為在線式UPS的后備電源；后者作為UPS檢修、維修時用。 一般取市電作為旁路電源，旁路電源系統(tǒng)構(gòu)成如下圖51所示:靜態(tài)開關(guān)1靜態(tài)開關(guān)2維修旁路市電來自逆變器輸出負載圖51 大功率UPS旁路電源系統(tǒng)構(gòu)成 靜態(tài)旁路的基本原理靜態(tài)旁路電源是作為在線式UPS的逆變器發(fā)生故障時的后備電源，以保證負載的不間斷供電。從圖51可看出，靜態(tài)旁路電源中使用了兩組靜態(tài)開關(guān)，靜態(tài)旁路后備電源以及逆變器在線電源都是通過靜態(tài)開關(guān)向負載供電。在線逆變器供電和市電旁路供電之間的轉(zhuǎn)換開關(guān)采用靜態(tài)開關(guān)(一對反并聯(lián)的決速晶閘管連接而成)而不采用傳統(tǒng)快速繼電器方案，正是大功率UPS和小功率UPS旁路設計的顯著區(qū)別。在大功率UPS電源系統(tǒng)中，采用了靜態(tài)開關(guān)技術(shù)，即利用快速晶閘管作為轉(zhuǎn)換器件，軟件上采用同步鎖相技術(shù)來實現(xiàn)負載的零時間切換的不間斷供電。 切換與控制技術(shù)正因為逆變器電源和旁路電源之間的切換對于保證負載的不間斷供電起著至關(guān)重要的作用，因此，切換的控制要做到簡潔、可靠。UPS電源的逆變器產(chǎn)生的50Hz正弦波電源應隨時保持與市電50Hz工頻旁路電源的同頻、同相、同幅和較小的正弦波失真度的關(guān)系。這就是UPS電源切換操作的基本工作條件。也只有在這樣的條件下才能使UPS電源在執(zhí)行逆變器供電與市電交流旁路供電之間切換操作時，實現(xiàn)上述兩種電源之間不存在任何瞬態(tài)電壓差或是在瞬態(tài)電壓差足夠小的條件下的安全切換操作。為此，在UPS電源系統(tǒng)控制中引入了“鎖相同步”環(huán)節(jié)。為防止靜態(tài)開關(guān)或逆變器因環(huán)流過大而燒毀，在大型UPS電源中都設置了專門的同步鎖相環(huán)節(jié)，以保證同步切換的需要。在大功率UPS中，同步鎖相是保證UPS在交流旁路電源和逆變器電源之間正常切換的基本條件,而靜態(tài)開關(guān)為正常切換提供了硬件基礎。在同步的條件下，正確控制靜態(tài)開關(guān)的導通和關(guān)斷成為UPS靜態(tài)旁路控制技術(shù)的核心。由靜態(tài)開關(guān)的基本原理可知:靜態(tài)開關(guān)1和2必須也總是處于互鎖的狀態(tài)。也就是說靜態(tài)開關(guān)1和2是互為閉鎖的。設計中，兩組靜態(tài)開關(guān)中的快速晶閘管采用高可靠性的互鎖電路來控制。根據(jù)晶閘管導通和關(guān)斷的基本原理，其觸發(fā)控制有多種方法：可采用微機產(chǎn)生觸發(fā)脈沖來控制，也可采用快速繼電器控制。前者增加了CPU的軟件開銷，且易受外界強磁場的干擾；后者增加了一定的硬件成本，但具有控制可靠、簡單方便的特點。本設計中，利用靜態(tài)開關(guān)是一對晶閘管反并聯(lián)的特點，控制上采用了一種快速繼電器控制的方法。其電路接法如圖52所示。 圖52 靜態(tài)開關(guān)1和2的控制電路 圖53 靜態(tài)開關(guān)的控制原理示意圖在靜態(tài)旁路電路中，直接利用交流市電電源電壓作為晶閘管的正向?qū)ê头聪蜿P(guān)斷電壓。將反并聯(lián)的兩快速晶閘管的門極通過繼電器的觸點連接起來。靜態(tài)開關(guān)的這種控制方法的原理可通過圖53來解釋。其中Al, A2為反并聯(lián)晶閘管的陽極，K1, K2為陰極，G1和G2為門極。當連接兩門極的繼電器的觸點閉合后，在交流市電的正半周期內(nèi)，晶閘