0 引言
隨著計算機網絡技術、全球化通信技術和高精尖的精密加工工業的發展，對電源的要求越來越高。為確保供電的可靠性和穩定性，UPS正越來越廣泛地被應用到國民經濟的各個領域。本文介紹了一種基于Motorala單片機MR16的全數字化的UPS設計方法，根據設計思想制作了一臺樣機，得到了較好的實驗結果。
1 主電路的設計
系統主電路主要包括蓄電池、逆變電路和切換電路3部分，逆變部分采用電壓型全橋逆變結構，如圖1所示。蓄電池電壓經全橋逆變電路逆變，再經工頻變壓器升壓和濾波后輸出。逆變電壓或電網電壓Un通過切換開關向負載供電。系統設計要求為直流側輸入電壓220V，額定交流輸出電壓為220V/50Hz，額定容量5kVA。
由圖1可見，在蓄電池和濾波電容之間設計了由R和繼電器KM1組成的合閘軟啟動電路，是為了防止在開機瞬間蓄電池對電解電容C1充電所產生的沖擊電流而設的。KM1由單片機控制，通常單片機在復位后延時一段時間，檢測直流母線電壓達到一定值后，再使KM1吸合，短接限流電阻R，完成合閘軟啟動，延時時間一般取3～5倍的電容C1的充電時間常數。C1為直流側的大濾波電容，能有效減少工作時直流母線電壓中的脈動交流幅值，并能短時貯存操作切換開關時反饋的電感貯能，抑制由此引起的過壓。C2為高頻無極性濾波電容，因為，在高頻逆變電路中電解電容的等效串聯阻抗會影響開關電流的能量吸收，所以，有必要在C1兩端再并聯此電容。
圖1 系統主電路
2 系統控制的實現
系統的中央控制器由Motorola公司的MR16單片機完成。逆變器的輸出電壓經交流電壓傳感器反饋給單片機AD接口，經單片機采樣及閉環控制運算，獲得相應的SPWM控制信號輸出。該單片機同時完成對電網電壓的采樣以判斷電網故障與否，根據判斷再控制切換電路完成電網電壓與逆變器電壓的相互切換。
2.1 直流側電壓的采樣
為了保護蓄電池，防止過度放電，需要對直流側電壓進行實時檢測。直流側電壓的采樣電路有多種形式，為了提高系統的可靠性，最好對主電路和控制電路進行電隔離。本系統對直流側電壓的采樣電路如圖2所示，為了使主電路和控制電路隔離，并且不增加控制電路的難度和復雜度，本文采用了雙光耦隔離的采樣電路。直流電壓經過光耦隔離降壓后輸入到單片機的AD采樣口，這樣就能夠實現高精度的直流電壓隔離采樣。
圖2 直流側電壓采樣電路
2.2 交流輸出電壓的采樣
交流輸出電壓的采樣也可以采用光耦采樣的方法，只須再增加一路完全一樣的電路作為負電壓采樣即可，但這樣增加了電路的復雜程度。由于交流電壓是作為反饋電壓輸入，其采樣精度勢必影響輸出電壓的控制精度，所以，系統采用TVA1412電壓傳感器，其采樣電路如圖3所示，既起到了電隔離作用又保證了較高的采樣精度。交流電壓經過TVA1412的傳輸比為R10/R11。由于變壓器對交流電壓采樣必然有正負之分，而單片機的輸入只能為正，故使用－2.5V基準電壓將輸入信號采樣值抬高2.5V，以保證輸入單片機采樣口的電壓為正。
圖3 交流電壓采樣電路
2.3 鎖相同步的實現
在UPS的設計中，鎖相同步技術是衡量UPS系統性能好壞的一個重要指標。UPS能夠實現市電旁路供電與逆變器供電之間的可靠轉換的前提是，市電的交流電壓與逆變器的交流輸出電壓必須同頻率、同相位和同幅值。如果UPS在執行轉換的瞬間，由于兩路交流電源的電壓值不同，因而會出現瞬態電壓差ΔU，如果用戶在具有過大的ΔU情況下執行切換操作，有可能會對負載產生電流沖擊。
逆變器正弦波的輸出，是通過建立一個正弦表，在中斷程序中由正弦指針讀取正弦表值，并進行相應脈寬計算產生SPWM波形輸出。正弦指針為零時對應的輸出正弦波相位也為零，所以，當檢測到電網零相位點時，可以通過比較正弦指針的值來判斷是否鎖相，指針為零則表明逆變器正弦波輸出與電網電壓波形鎖相同步，否則，就要通過移相跟蹤電網電壓相位。但是，如果一檢測到零相位就將正弦指針清零，勢必會引起較大的沖擊電流，并且這樣抗干擾能力弱，所以，系統采用逐次逼近鎖相方式。具體方法是：每檢測到一次零相位點，就判斷當前正弦指針是否為零，為零表明已經鎖相，不為零，則判斷正弦
指針處于正弦表的正半周還是負半周，位于正半周時就將正弦指針減1，位于負半周就將正弦指針加1，如此反復循環直到鎖相為止。顯然，鎖相同步要在PWM中斷程序中實現。
2.4 切換電路的設計
現在常用的方法是用晶閘管作切換開關,普通晶閘管的開通時間為幾μs，關斷時間約為幾百μs，開、關時間之和不超過1ms。圖1中采用晶閘管反并聯連接結構，由于母線上流過的是正弦全波，以V1、V2為例，就必然形成在正弦波的正半周V2導通、V1關斷,在負半周則V1導通、V2關斷，這樣就保證了流過負載的電流是完整的正弦波。普通晶閘管是半控器件，其關斷依賴于給陽極施加反向電壓。當電網故障時，首先，去掉V1和V2上的門極觸發信號，假設這時正處于正弦波的正半周，V1顯然關斷，但還沒有使V2關斷，這時再給V3和V4的門極施加觸發信號，V4導通，由于電網故障（停電或電壓偏低），這時就會在V2的陽陰極之間產生電壓差，其方向是陰極高于陽極，使V2關斷，從而切斷電網，由此可見兩者之間沒有環流。當市電電網恢復時，也是同理的。實驗證明采用上述方法是可行的。
3 實驗結果
按照上述設計思路制作了一臺5kW樣機，實驗結果如圖4所示。圖4（a）是逆變器空載輸出時的電壓波形，圖4（b）是逆變器滿載輸出時的電壓波形，圖4（c）是當電網斷電時，從電網切換到逆變器輸出時的負載電壓波形（通道1為電網波形，通道2為負載側電壓波形）。由圖4可以看出，系統能輸出較好的正弦電壓，切換時間約2ms左右，能滿足負載和用戶要求。
（a） 逆變器空載時輸出電壓波形
（b） 逆變器滿載時輸出電壓波形
（c） 電網斷電時從電網切換到逆變器輸出時的電壓波形
圖4 系統輸出波形
4 結語
采用上述思想設計了一臺樣機，通過實驗證明了該樣機能穩定工作，切換時間短,各項性能指標均已達到UPS設計要求。