基于MC9S12XS128的UPS逆变系统的软件设计

摘 要：较早的UPS一般是为计算机在停电时继续供电，在其他领域的应用较少。然而，随着微型计算机的应用和信息处理技术的普及，人们对电源的要求越来越苛刻。文章主要首先简要介绍了一种基于MC9S12XS128的UPS逆变系统的总体设计方案，在此基础上着重介绍了相应的软件设计。

关键词：UPS；MC9S12XS128单片机；PID

引言

随着各个方面技术的发展，各行各业都会用到UPS不间断电源。文章的UPS逆变器总体设计方案如图1所示：由IGBT组成的三相桥式逆变电路作为逆变器的功率单元；由EXB841驱动芯片组成的驱动电路；为了让逆变器控制系统更加稳定，于是采用冗余设计：两套由飞思卡尔公司生产的MC9S12XS128的#1和#2组成的控制系统（两个互为备用）共用一套功率单元和驱动单元。逆变器输入来自蓄电池提供的直流电源，通过三相全控IGBT逆变桥，逆变器控制系统产生SPWM脉冲的控制下，然后由专门设计的隔离变压器（一次侧是Δ连接，二次测是星形连接）隔离，滤波后生成正恒定频率的弦交流电压输出。其中二极管是由快速晶闸管组成的静态开关，实现不间断供电的装置。

图1 逆变器总体设计方案

1 系统软件设计

文章用结构化的编程方法，程序由主程序和若干子程序模块构成，实现UPS逆变器控制软件，每个子程序模块的功能是相对独立的。主程序可以调用子程序模块实现对逆变器控制的功能。每个子程序模块完成一个功能，将它们结合在一起就可以实现整个装置的功能。它们包括初始化模块、数据采集模块、显示模块、SPWM脉宽调制波形生成模块、数据处理模块、稳压稳频模块、通信模块、保护模块。各自的作用如下：（1）显示模块实时显示UPS的输入和输出电流，电压和其他的状态信息，通过和键盘操作和合作。（2）数据采集模块就是对被测信号的不间断的循环采样，为单片机提供测量数据。（3）数据处理模块就是将数据采集模块采集到的数据进行计算分析，作为保护和控制模块的依据。（4）SPWM脉宽调制波形生成模块的功能是生成三相互补的SPWM波。（5）稳压稳频模块的功能是使用PID控制算法并结合MC9S12XS128微处理器波形发生器PWM模块的原理，从而实现逆变器输出电压和频率的稳定。（6）保护模块是根据程序给定的逻辑来判断UPS逆变装置是否发生故障，从而让单片机发出故障信号并采取相应的保护措施。UPS主电源装置与上位机的通信靠通信模块来实现。如图1所示为UPS逆变器的控制主程序流程图。

下面对以下两个方面进行详细的软件设计介绍：

1.1 SPWM波生成模块

MC9S12XS128单片机的PWM模块特点：它有8个独立的输出通道，并且通过编程可控制其输出波形的周期；每一个输出通道都有一个精确的计数器；每一个通道的PWM输出使能都可以由编程来控制；PWM输出波形的翻转控制可以通过编程来实现；周期和脉宽可以被双缓冲。当通道关闭或PWM计数器为0时，改变周期和脉宽才起作用；8字节或16字节的通道协议；有4个时钟源可供选择（A、SA、B、SB），提供了一个宽范围的时钟频率；通过编程可以实现希望的时钟周期；具有遇到紧急情况关闭程序的功能；每一个通道都可以通过编程实现左对齐输出还是居中对齐输出。下面分析如何通过对单片机编程产生三相互补的SPWM波形。主要包括载波频率的选择和正弦函数表的建立。

（1）载波fc的选择。通常，PWM波形发生器的载波频率应该比调制波高很多倍，以确保低通滤波器的输出电平可以通过调制频率并且有效地抑制载波频率。然而，载波频率太高，则会降低PWM输出分辨率。在此设计中，调制频率为50Hz，选载波频率fc=2500Hz的，可见载波频率比调制频率高得多。

（2）正弦函数表的建立。正弦电压的建立是靠控制PWM波的占空比而形成的（要经过低通滤波），为此要准确知道一周期360°内的正弦值。程序中可采用在线计算的方法，也可采用查表的方法。这里采用查表法。根据正弦函数的反对称性，只须建立0°～180°的正弦函数表。每隔0.8°安排一项数据，每个数据占用2个字节，0°～180°内共450个字节。若U相指针为SIN_PTR，则V相和W相指针分别为SIN_PTR+240°、SIN_PTR+120°，数据表只包含450个字节，超过450个字节时指针又循环从头算起，即这里采用了循环数据表。当然，在软件中要确定各相的值的正负.波形发生器输出电压的幅值Uk的变化取决于PWM占空比的变化百分比，即调制深度。根据输出电压的幅值Uk和查表所得的正弦表值可计算出三相SPWM波形占空比的瞬态值：U_PH=MID±（Uk*SIN_VALUE）/10000，式中是U相的瞬态值。当在0°～180°之间时上面公式中取“+”，在180°360°之间取“-”。公式中除以10000在建立正弦函数表时己考虑进去了。初始化的内容有：PWM启动寄存器PWME、PWM时钟选择寄存器PWMCLK、PWM预分频寄存器PWMPRCLK、PWM极性选择寄存器PWMPOL、PWM波形对齐寄存器PWMCAE。

1.2 稳压稳频模块

UPS输出电压和频率与逆变器的直流输入电压和负载的变化而变化，我们需要保持一个稳定的UPS输出电压和频率。要逆变输出的电压和频率的稳定。通过负反馈回路实现电压调节功能，采用传统的PID算法、SPWM调制深度调整系数来实现频率的稳定。在图2中所示的调节子程序，可以实现稳定电压的功能，在图3中所示的调节子程序，可以实现稳定频率的功能。通过改变SPWM载波频率fc的周期数来实现。如图4所示为PID子程序流程图。

2 结束语

文章首先提出了基于单片的UPS逆变系统的总体设计方案，在此基础上着重介绍了SPWM波生成以及稳压稳频的算法。

作者简介：刘柳（1993，12-），男，汉族，四川省德阳市西湖街，本科，学生，研究方向：电气工程及其自动化。