智能化在線(xiàn)式UPS的設計

發(fā)布時(shí)間:2010-7-22 17:23    發(fā)布者:vinda
關(guān)鍵詞: UPS , 在線(xiàn)式 , 智能化
現代UPS的發(fā)展方向是高頻化,小型化和智能化,近年來(lái),科華公司采用最先進(jìn)的電力電子器件和國際流行的PFC及高頻技術(shù),實(shí)現了中小功率UPS高頻化和小型化的目標。隨后使用MCU單片機)開(kāi)發(fā)一系列新產(chǎn)品,使UPS實(shí)現智能化,即電池管理的智能化,人機界面的智能化(遠程LCD面板),UPS管理網(wǎng)絡(luò )化,包括POWERSOFT電源監控軟件和UNMS-1 UPS網(wǎng)絡(luò )管理系統(國家火炬計劃項目)。  

對UPS制造商而言,實(shí)現UPS智能化可以大幅度提高生產(chǎn)效率。比如,以往UPS調試時(shí)需要調節許多電位器和測量多個(gè)工作點(diǎn)電壓和頻率,而采用智能化設計后,只需調節少許電位器,其他參數則通過(guò)UPS調試軟件界面進(jìn)行參數設置,由于采用數字處理技術(shù),不存在原來(lái)模擬電路的易受環(huán)境影響產(chǎn)生的工作點(diǎn)漂移,不存在產(chǎn)品的分散性,即成批產(chǎn)品的一致性很好。  

采用MCU設計,以軟件代替硬件,電路板的面積和功耗明顯的小了,這樣對系統可靠性無(wú)疑是有好處的。同時(shí),由于現代的MCU的程序存儲器均有加密技術(shù),可以防止非法拷貝,保護知識產(chǎn)權。另外,如果UPS的軟件系統設計相對完善,其故障自檢功能較強,則可以為安裝維護人員提供方便,節省費用和工時(shí)。以下為針對在線(xiàn)式智能UPS的幾個(gè)設計方案。  

1. 基于傳統UPS主控制板的原理  

由PLD+MCU實(shí)現原模擬電路實(shí)現的功能,輸出電壓動(dòng)態(tài)反饋和I/O相位同步部分將沿用原成熟線(xiàn)路,在基準正弦波合成方面將用一只廉價(jià)的PLD器件代換原來(lái)由多個(gè)計數器、加法器等的實(shí)現功能。MCU控制系統可以采用廉價(jià)的Atmel89C52和一只10位11路A/D轉換芯片TLC1543及一片XICOR公司的監控+串行EEPROM 芯片X25045組成,可以實(shí)現完成輸出電壓的調整、電池的智能管理、重要器件的在線(xiàn)檢測。但是不參與同步控制,在與上位機的通信及生產(chǎn)調試和面板功能方面MCU實(shí)現將比原來(lái)設計成本低、功能強,實(shí)現該方案可以在較少的時(shí)間完成。
  
2. 基于單芯片的實(shí)現方案  

由一塊功能強大的MCU完成人機界面、通信、輸入輸出同步、輸出電壓PID調節、各種故障判斷和自診斷功能,該實(shí)現方案可以采用引腳多的Intel 87C196MC或Motorola MC68HC11K4,但是該方案成本較高;開(kāi)發(fā)難度和測試工作量大,如果要幾個(gè)工程師并行開(kāi)發(fā),要求項目系統分析員分析能力較強,項目經(jīng)理能協(xié)調各個(gè)項目組員無(wú)縫協(xié)作,軟件代碼結構化要求高。這種方案實(shí)現后可節省電路面積、采購及生產(chǎn)很方便。  

3. 基于雙MCU的實(shí)現方案  

作者認為此方案最適合目前我國工程師的開(kāi)發(fā)水平,系統具有最大的靈活性和成本的最小化。

基本想法是由1只管理MCU(mMCU)和一只控制MCU(cMCU)組成。其中mMCU負責人機界面(面板、通信、調試、故障診斷),要求芯片為FLASH(閃存)形式,單片機系統可以用C語(yǔ)言寫(xiě)代碼,具備電壓監控和復位功能。這款芯片使用Atmel或Philips的89C5X系列(成本為每只低于20元),80C51系列MCU已是業(yè)界標準,開(kāi)發(fā)工具及參考資料國內都非常完善,可以由一般的MCU設計人員完成。如果UPS用戶(hù)提出一些特殊要求,如開(kāi)關(guān)機時(shí)序或故障告警特定提示,可以通過(guò)ISP方法來(lái)解決,軟件更改升級非常方便。  

cMCU則負責UPS的I/O同步、逆變器驅動(dòng)、輸出電壓穩壓PID調節、過(guò)流保護、實(shí)時(shí)采樣和整流器驅動(dòng)等實(shí)時(shí)控制。在實(shí)驗做過(guò)后可將MCU掩膜,以降低芯片成本,以后的設計可以將其嵌入任何UPS,作為標準模塊使用。這項工作應由專(zhuān)業(yè)經(jīng)驗豐富的工程師完成,其難度大,要求高。  

由于UPS自身情況(不斷電)比較特殊,cMCU不能使用WDT(看門(mén)狗監控電路),而mMCU不涉及實(shí)時(shí)控制,芯片受干擾程序出錯后,可以利用WDT或非法指令或非法地址復位來(lái)得到解決。它能監督cMCU的運行狀態(tài),一旦發(fā)現控制異常,可以馬上對系統作補救措施,防止造成惡果。

  
2芯片方案可以為控制系統分散風(fēng)險。我們可以選擇容量小、速度快的廉價(jià)MCU進(jìn)行設計,估計可以選到價(jià)格小于30元的芯片。  

以上分析表明,采用第3種方案設計UPS將是適合國內廠(chǎng)商的最合理方法,無(wú)論從原材料成本,開(kāi)發(fā)難度,軟件升級方便性和系統可靠性方面都優(yōu)于另外2種方案。對于其他行業(yè),如果設備同時(shí)涉及實(shí)時(shí)控制和非實(shí)時(shí)管理,則采用雙芯片或多芯片方案(芯片間通過(guò)CAN總線(xiàn)或SPI或較慢的RS485總線(xiàn)通信)不失為一種可取的方案。
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