[摘 要] 不间断电源(UPS)是能够提供持续、稳定、不间断的电源供应的重要外部设备,为验证其在市电中断时行为正确性,本文设计实现了AC相位关断器。通过控制市电在任一相位断电,可以方便的检验UPS的续电能力。
[关键词] UPS 关断器 相位
1 引言
UPS是不间断电源(uninterruptible power system)的英文简称,是能够提供持续、稳定、不间断的电源供应的重要外部设备。目前,UPS广泛地应用于计算机、交通、银行、证券、通信、医疗、工业控制等行业。由于市电在不同相位断电时,UPS续电的响应时间及相位角度各不相同[1],其续电波形也不一样,因此使用AC相位关断器这一工具可以对UPS的工作状态及程序行为进行验证。
2 AC相位关断器原理
AC相位关断器主要用于测试市电输入在某相位角度断电时UPS供电瞬间的波形,以此来验证UPS行为的正确性。AC相位关断器主要控制市电输入的L线[2],正常情况下控制L线的IGBT导通,设定好断电时的相位角度后,控制IGBT关断,以此达到在此相位断电的效果。在断电的瞬间,用示波器抓取UPS续电时的波形,以此来验证UPS的行为及响应性能。
关断器由以下模块组成:电源模块、市电侦测模块、PIC单片机控制模块、驱动模块、按键模块和显示模块。将其做成断电设备,PCB layout由12V电源板,控制板,IGBT驱动板及IGBT模组和整流器组成。其中控制板上集合了市电侦测模块、PIC单片机控制模块、串口调试模块、按键模块、显示模块。图2-1为AC关断控制器架构,以下对该架构进行简要说明:
2.1电源板
电源板采用一块MSJP011作为主控芯片,其主要功能是给控制板提供12V工作电源和给驱动板提供隔离驱动电源。
2.2控制板
控制板分为四个模块:
1.市电侦测模块:市电输入后经市电侦测电路,将市电电压与频率侦测信号输入PIC以判断市电状态。
2.PIC控制模块:根据用户输入的断电相位角度,PIC芯片以市电侦测电路的信号判断市电状态,通过软体选择正确的断电相位点,向IGBT驱动板发IGBT_Drv驱动信号来进行打开与关闭IGBT的操作,从而完成切断市电的动作。
3.IGBT驱动模块:IGBT采用MSED400,正常情况下,IGBT处于导通状态。当接收到PIC控制模块发送的IGBT_Drv信号,经过其内部电路,送出关闭IGBT的IGBTGATE信号。
4.按键、显示模块:按键、显示模块主要用于PIC及用户间的交互。使用时用户通过设置键选择断电相位角度,在按下确认键后将输入信息发送到PIC芯片。显示区以LED简单地显示当前输入的断电相位角度。
2.3其他模块
为进一步研究所需,本设计预留了以下两个模块:
1.ICD2调试接口模块:用于与仿真器通讯,以进行仿真、程序烧入及在线调试。
MPLAB ICD2(IN CIRCUIT DEBUGGER)是一款集调试、编程于一体的PIC单片机开发工具,结合免费的MPLAB-IDE软件,可以在线调试、在线编程、在线观测和检验程序运行结果。
2.串口通讯模块:RS232串行通信接口,用于接收和发送串行数据。
若用RS-232C总线进行串行通信,则需外接电路以实现电平转换。在发送端需要用驱动电路将TTL电平转换成RS-232C电平,在接收端需要用接收电路将RS-232C电平转换为TTL电平。
3 软件结构与流程
AC相位关断器PIC[3]方软件主要功能是,PIC控制板通过CCP模块,对按键情况进行捕捉,采集到的数据经浮点运算,算出AC周期步长与相位角度,最后设置IGBT_Drv信号,用此信号控制IGBT驱动板的输出。IGBT导通与断开的状态通过RB5控制,当RB5=0时,表示IGBT_ON;当RB5=1时,表示IGBT_OFF。表5-1列出了PIC方软体的工程文件框架[4][5]。
3.1主程序
主程序主要实现各模块的初始化,程序主循环处理对控制面板上的按键扫描及响应,它应是一个死循环。对键盘扫描及响应,采用中断方式,而PIC单片机的中断入口只有一个,因此整个程序中只能有一个中断服务函数。
3.2CCP中断服务程序
捕捉/比较/PWM寄存器1(CCPR1)由两个8位寄存器组成:CCPR1L (低字节)和CCPR1H(高字节)。比较匹配将产生特殊事件触发信号,该信号会使TMR1H和TMR1L寄存器清零。图5-2为CCP中断服务程序流程图。
3.3计时器服务程序
Timer2是一个带有预分频器和后分频器的8位定时器。它可以用作CCP模块在PWM模式下的PWM时基。TMR2寄存器是可读写的,任何器件复位都会使之清零。图5-3为计时器服务程序的流程图。
4 测试结果
虽然AC相位关断器在设计时,可以实现对市电在0度到360度的任一相位处断电,但由于测试UPS的需要,还需进一步验证其带不同负载时的输出电压波形。图4-1、2、3分别为使用本仪器带不同负载断电瞬间的输出电压波形。
5 结语
使用AC相位关断器,可以方便的控制市电在0度到360度的任一相位处断电,从而验证UPS在市电输入中断时其行为的正确性。且因其体积小,稳定性好,操作简便,在UPS生产检测中可广泛使用。若在PCB上加入ICD2调试接口模块,将其与仿真器通讯后可用于仿真、程序烧入及在线调试。而利用PCB预留的串行通讯模块与虚拟仪器配合,则可实现关断器的自动控制,大大提高测试效率。
参 考 文 献
[1]康华光,陈大钦,张林等.电子技术基础[M]北京:高等教育出版社,2006
[2]阎石.数字电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,1998.
[3]Microchip.PIC16C7X Data Sheet 8-Bit CMOS Microcontrollers with A/D Converter [M].Microchip Technology Inc, 1997
[4]王宜怀,刘晓升.嵌入式技术基础与实践[M]北京:清华大学出版社2007
[5]邵贝贝.单片机嵌入式应用的在线开发方法.北京:清华大学出版社,2004.■
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