基于PSOC单片机的UPS设计

赵 晖

（浙江国际海运职业技术学院，浙江舟山 316000）

为保障网络系统安全运行，必须配备UPS（Uninterruptible Power System，不间断电源），以避免市电不能正常供电时对其造成的损失。UPS是一种以电池为储能装置，以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源。由于非正弦交流电会对负载设备造成损坏，设计中采用PSOC单片机实现SPWM波形，从而实现UPS输出正弦交流电；另一方面，由于电池之间的不一致性，会导致在放电过程中，性能较差的电池容量迅速降低，影响整个电池组的可用容量，缩短供电时间，为避免这种情况，在控制系统中添加均衡电路对UPS的性能有重要意义［1］。

1 系统工作原理

图1 系统工作结构

系统工作原理如图1所示，当市电正常时，逆变电路不工作，直接通过旁路给负载供电，同时通过充电器给蓄电池充电；当市电出现故障时，电源切换开关自动切换到蓄电池供电，逆变电路开始工作，单片机输出SPWM控制波形，电路输出220V、50HZ正弦交流电给负载供电。在充电过程中，通过电池电压检测，当电池需要均衡时，逻辑控制器对均衡模块进行控制，实现均衡［2］。

2 控制电路硬件设计

2.1 CY8C32系列单片机的结构特点

CY8C32系列单片机是超低功耗闪存可编程片上系统器件，围绕CUP子系统提供了多个可配置的模拟、数字和互连电路模块。此芯片可提供64KB的闪存，具有8KB的SRAM和2KB的EPROM，对于该UPS的控制系统来说完全够用。芯片具有8／16位的PWM和定时器模块，通过硬件及软件的正确设置，可以实现SPWM波形，从而使逆变模块输出高精度的正弦交流电，供负载使用；同时，转换器可以配置成输出8／12位的分辨率，采样速率最高可达384ksps［3］，减少了中断程序的执行时间，能够在市电故障时，立即启用蓄电池给负载供电，为负载不间断工作提供了可靠保证。

2.2 电池电压的检测

电池电压检测是UPS系统中重要部分，检测数据会用在均衡、过压、欠压等保护功能中，检测数据的好坏直接影响着UPS的使用性能。

本文设计中对电池电压的检测是采用LTC6802芯片，它是一个完整的带12位模数转换、精确电压参考、高压多路输入和串行接口的电池电压检测芯片，在普通模式下，最多可以检测串联到一起的12节电池的单体电压［4］。通过单片机的控制，可以及时读出所检测出的每节电池电压，高精度和快速的检测，可以让单片机及时对均衡电路做出正确的控制，同时在过压、欠压情况下，逻辑控制器可以对电池进行有效的保护。

2.3 均衡电路设计

由于各节电池之间的不一致性，串联电池组的容量将由容量最小的单节电池决定，这种情况会导致供电时间短，电池组使用寿命缩短。为了解决不均衡对电池造成的影响，在使用过程中需要使用均衡模块。目前主要分为能量耗散型和能量非耗散型两类均衡，该设计方案中采用能量非耗散型均衡电路［5］。均衡控制原理框图如图2所示。

图2 均衡控制原理框图

图2 中的均衡方案是充电开始时，先由充电器对电池组进行大电流充电，电池的容量迅速增长，由于电池之间的不一致性，不能同时达到电池的最大容量，当其中一节电池的容量达到最大值时，停止对电池进行大电流充电。通过检查各节电池的电压值，当最大值与最小值之间的差值大于设定值时，逻辑控制器进入均衡模式，逻辑控制器控制均衡电路，对容量较低的电池进行补充，实现能量非耗散型均衡［6－7］。

3 控制系统软件设计

3.1 SPWM波形的产生

CY8C32系列单片机有8位分辨率的PWM模块和定时器模块，PWM模块具有可配置捕获、死区等特点。当市电出现故障，不能继续为负载供电时，通过相位采集系统，计算出市电停止供电时的市电相位，单片机控制逆变电路，使其输出相位相同的正弦交流电，实现锁相同步。该系统采用的是全桥逆变，需要两个互补的SPWM波形信号。

图3是全桥逆变原理图，逻辑控制器输出两个互补的SPWM波形，经过专用的驱动芯片隔离放大后加到场效应管的栅极，分别驱动Q1、Q4和Q2、Q3两组场效应管，两组场效应管不能同时导通。

图3 全桥逆变电路

在软件设计中，首先建立正弦表，在一个完整正弦周期中，取64个采样点，采样点正弦值与正弦波峰值的比值就是该点SPWM信号的占空比，根据SPWM周期计算出每个点的脉宽值，做成正弦表，计算公式如1所示。

在程序中将正弦表赋值给数组，然后PWM波形发生模块每个PWM周期进入一次中断，在ISR中按照正弦表更改PWM比较器的值，依次循环即可［8－9］。由于同一桥臂的两个场效应管是互补导通，必须设置死区时间才能避免桥臂直通现象，通过PWM模块中的PWM＿WriteDead－Time（deadtime）函数设置死区时间，通常设置2－4个时钟循环，死区将在pwm1上显示，从而避免桥臂直通现象。

3.2 控制系统流程设计

系统主控制程序流程图如4所示。

4 实验结果及分析

通过实验，通过PSOC单片机控制输出的SPWM波形，在滤波后，可以使逆变电路输出稳定的正弦交流电。该设计方案中采用了均衡控制技术，均衡实验效果如图5所示，在初始阶段，电池组中各节电池的电压分布范围比较大，进入均衡模式，对电压较低的电池进行补充，在图5最后阶段，可以看出电压范围相对于无均衡电路控制的系统，该系统使UPS供电时间长，电池容量利用效率高，同时均衡还可以增长电池寿命。

图4 控制系统流程图

图5 电池均衡效果

5 结 语

本文基于PSOC3系列单片机实现后备式UPS控制系统，其主要特点是：

（1）采用全桥逆变，单片机输出SPWM控制波形，可以让逆变电路输出高质量的正弦交流电；

（2）系统中采用了均衡控制技术，均衡使电池容量利用效率高，使用时间长，并且延长电池寿命；

（3）采用PSOC3系列单片机，通过单片机丰富的可配置模块阵列，可以减少电子元器件数量，同时不需要写底层代码，减少代码设计时间。

（4）通过单片机的快速采集和控制，可以有效的实现市电与UPS转化的锁相同步；

（5）通过单片机的智能控制，简化结构，提高了系统的智能性和可靠性。可以实现欠压，过压，超载等自我保护。

1 曹保国.UPS应用技术［M］.北京：化学工业出版社，2007.

2 叶爱芹.基于单片机的单相后备式UPS的设计［J］.安徽技术师范学院学报，2002（4）：37－39.

3 何宾.8051片上可编程系统原理及应用［M］.北京：化学工业出版社，2012.

4 雷娟，蒋新华.锂离子电池组均衡电路的发展现状［J］.电池，2007（1）：62－63.

5 李红林，张承宁.锂离子电池组均衡充电和保护系统研究［J］.北京理工大学学报，2004（3）：210－213.

6 毛攀峰，朱宏辉，谢朝文.动力型锂电池组均衡控制方案研究［J］.物流工程与管理，2011，33（4）：165—167.

7 陈增禄，毛惠丰等.SPWM数字采样法的理论及应用研究［J］.中国机电工程学报，2005（1）：32－37.