基于MC9S12XS128的UPS逆變系統的軟件設計

摘 要：較早的UPS一般是為計算機在停電時繼續供電，在其他領域的應用較少。然而，隨著微型計算機的應用和信息處理技術的普及，人們對電源的要求越來越苛刻。文章主要首先簡要介紹了一種基于MC9S12XS128的UPS逆變系統的總體設計方案，在此基礎上著重介紹了相應的軟件設計。

關鍵詞：UPS；MC9S12XS128單片機；PID

引言

隨著各個方面技術的發展，各行各業都會用到UPS不間斷電源。文章的UPS逆變器總體設計方案如圖1所示：由IGBT組成的三相橋式逆變電路作為逆變器的功率單元；由EXB841驅動芯片組成的驅動電路；為了讓逆變器控制系統更加穩定，于是采用冗余設計：兩套由飛思卡爾公司生產的MC9S12XS128的#1和#2組成的控制系統（兩個互為備用）共用一套功率單元和驅動單元。逆變器輸入來自蓄電池提供的直流電源，通過三相全控IGBT逆變橋，逆變器控制系統產生SPWM脈沖的控制下，然后由專門設計的隔離變壓器（一次側是Δ連接，二次測是星形連接）隔離，濾波后生成正恒定頻率的弦交流電壓輸出。其中二極管是由快速晶閘管組成的靜態開關，實現不間斷供電的裝置。

圖1 逆變器總體設計方案

1 系統軟件設計

文章用結構化的編程方法，程序由主程序和若干子程序模塊構成，實現UPS逆變器控制軟件，每個子程序模塊的功能是相對獨立的。主程序可以調用子程序模塊實現對逆變器控制的功能。每個子程序模塊完成一個功能，將它們結合在一起就可以實現整個裝置的功能。它們包括初始化模塊、數據采集模塊、顯示模塊、SPWM脈寬調制波形生成模塊、數據處理模塊、穩壓穩頻模塊、通信模塊、保護模塊。各自的作用如下：（1）顯示模塊實時顯示UPS的輸入和輸出電流，電壓和其他的狀態信息，通過和鍵盤操作和合作。（2）數據采集模塊就是對被測信號的不間斷的循環采樣，為單片機提供測量數據。（3）數據處理模塊就是將數據采集模塊采集到的數據進行計算分析，作為保護和控制模塊的依據。（4）SPWM脈寬調制波形生成模塊的功能是生成三相互補的SPWM波。（5）穩壓穩頻模塊的功能是使用PID控制算法并結合MC9S12XS128微處理器波形發生器PWM模塊的原理，從而實現逆變器輸出電壓和頻率的穩定。（6）保護模塊是根據程序給定的邏輯來判斷UPS逆變裝置是否發生故障，從而讓單片機發出故障信號并采取相應的保護措施。UPS主電源裝置與上位機的通信靠通信模塊來實現。如圖1所示為UPS逆變器的控制主程序流程圖。

下面對以下兩個方面進行詳細的軟件設計介紹：

1.1 SPWM波生成模塊

MC9S12XS128單片機的PWM模塊特點：它有8個獨立的輸出通道，并且通過編程可控制其輸出波形的周期；每一個輸出通道都有一個精確的計數器；每一個通道的PWM輸出使能都可以由編程來控制；PWM輸出波形的翻轉控制可以通過編程來實現；周期和脈寬可以被雙緩沖。當通道關閉或PWM計數器為0時，改變周期和脈寬才起作用；8字節或16字節的通道協議；有4個時鐘源可供選擇（A、SA、B、SB），提供了一個寬范圍的時鐘頻率；通過編程可以實現希望的時鐘周期；具有遇到緊急情況關閉程序的功能；每一個通道都可以通過編程實現左對齊輸出還是居中對齊輸出。下面分析如何通過對單片機編程產生三相互補的SPWM波形。主要包括載波頻率的選擇和正弦函數表的建立。

（1）載波fc的選擇。通常，PWM波形發生器的載波頻率應該比調制波高很多倍，以確保低通濾波器的輸出電平可以通過調制頻率并且有效地抑制載波頻率。然而，載波頻率太高，則會降低PWM輸出分辨率。在此設計中，調制頻率為50Hz，選載波頻率fc=2500Hz的，可見載波頻率比調制頻率高得多。

（2）正弦函數表的建立。正弦電壓的建立是靠控制PWM波的占空比而形成的（要經過低通濾波），為此要準確知道一周期360°內的正弦值。程序中可采用在線計算的方法，也可采用查表的方法。這里采用查表法。根據正弦函數的反對稱性，只須建立0°～180°的正弦函數表。每隔0.8°安排一項數據，每個數據占用2個字節，0°～180°內共450個字節。若U相指針為SIN_PTR，則V相和W相指針分別為SIN_PTR+240°、SIN_PTR+120°，數據表只包含450個字節，超過450個字節時指針又循環從頭算起，即這里采用了循環數據表。當然，在軟件中要確定各相的值的正負.波形發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，即調制深度。根據輸出電壓的幅值Uk和查表所得的正弦表值可計算出三相SPWM波形占空比的瞬態值：U_PH=MID±（Uk*SIN_VALUE）/10000，式中是U相的瞬態值。當在0°～180°之間時上面公式中取“+”，在180°360°之間取“-”。公式中除以10000在建立正弦函數表時己考慮進去了。初始化的內容有：PWM啟動寄存器PWME、PWM時鐘選擇寄存器PWMCLK、PWM預分頻寄存器PWMPRCLK、PWM極性選擇寄存器PWMPOL、PWM波形對齊寄存器PWMCAE。

1.2 穩壓穩頻模塊

UPS輸出電壓和頻率與逆變器的直流輸入電壓和負載的變化而變化，我們需要保持一個穩定的UPS輸出電壓和頻率。要逆變輸出的電壓和頻率的穩定。通過負反饋回路實現電壓調節功能，采用傳統的PID算法、SPWM調制深度調整系數來實現頻率的穩定。在圖2中所示的調節子程序，可以實現穩定電壓的功能，在圖3中所示的調節子程序，可以實現穩定頻率的功能。通過改變SPWM載波頻率fc的周期數來實現。如圖4所示為PID子程序流程圖。

2 結束語

文章首先提出了基于單片的UPS逆變系統的總體設計方案，在此基礎上著重介紹了SPWM波生成以及穩壓穩頻的算法。

作者簡介：劉柳（1993，12-），男，漢族，四川省德陽市西湖街，本科，學生，研究方向：電氣工程及其自動化。