概括说来,现代ups的发展方向是高频化,小型化和智能化,近年来,科华公司采用最先进的电力电子器件和国际流行的pfc及高频技术,实现了中小功率ups 高频化和小型化的目标。随后使用mcu(单片机)开发一系列新产品,使ups实现智能化,即电池管理的智能化,人机界面的智能化(远程lcd面 板),ups管理网络化,包括powersoft电源监控软件和unms-1 ups网络管理系统(国家火炬计划项目)。
对ups制造商而言,实现ups智能化可以大幅度提高生产效率。比如,以往ups调试时需要调节许多电位器和测量多个工作点电压和频率,而采用智能化设 计后,只需调节少许电位器,其他参数则通过ups调试软件界面进行参数设置,由于采用数字处理技术,不存在原来模拟电路的易受环境影响产生的工作点漂移, 不存在产品的分散性,即成批产品的一致性很好。
采用mcu设计,以软件代替硬件,电路板的面积和功耗明显的小了,这样对系统可靠性无疑是有好处的。同时,由于现代的mcu的程序存储器均有加密技术, 可以防止非法拷贝,保护知识产权。另外,如果ups的软件系统设计相对完善,其故障自检功能较强,则可以为安装维护人员提供方便,节省费用和工时。以下为 针对在线式智能ups的几个设计方案。
1. 基于传统ups主控制板的原理
由pld+mcu实现原模拟电路实现的功能,输出电压动态反馈和i/o相位同步部分将沿用原成熟线路,在基准正弦波合成方面将用一只廉价的pld器件代 换原来由多个计数器、加法器等的实现功能。mcu控制系统可以采用廉价的atmel89c52和一只10位11路a/d转换芯片tlc1543及一片 xicor公司的监控+串行eeprom 芯片x25045组成,可以实现完成输出电压的调整、电池的智能管理、重要器件的在线检测。但是不参与同步控制,在与上位机的通信及生产调试和面板功能方 面mcu实现将比原来设计成本低、功能强,实现该方案可以在较少的时间完成。
2. 基于单芯片的实现方案
由一块功能强大的mcu完成人机界面、通信、输入输出同步、输出电压pid调节、各种故障判断和自诊断功能,该实现方案可以采用引脚多的intel 87c196mc或motorola mc68hc11k4,但是该方案成本较高;开发难度和测试工作量大,如果要几个工程师并行开发,要求项目系统分析员分析能力较强,项目经理能协调各个项 目组员无缝协作,软件代码结构化要求高。这种方案实现后可节省电路面积、采购及生产很方便。
3. 基于双mcu的实现方案
作者认为此方案最适合目前我国工程师的开发水平,系统具有最大的灵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)组成。其中mmcu负责人机界面(面板、通信、调试、故障诊断),要求芯片为 flash(闪存)形式,单片机系统可以用c语言写代码,具备电压监控和复位功能。这款芯片使用atmel或philips的89c5x系列(成本为每只 低于20元),80c51系列mcu已是业界标准,开发工具及参考资料国内都非常完善,可以由一般的mcu设计人员完成。如果ups用户提出一些特殊要 求,如开关机时序或故障告警特定提示,可以通过isp方法来解决,软件更改升级非常方便。
cmcu则负责ups的i/o同步、逆变器驱动、输出电压稳压pid调节、过流保护、实时采样和整流器驱动等实时控制。在实验做过后可将mcu掩膜,以 降低芯片成本,以后的设计可以将其嵌入任何ups,作为标准模块使用。这项工作应由专业经验丰富的工程师完成,其难度大,要求高。
由于ups自身情况(不断电)比较特殊,cmcu不能使用wdt(看门狗监控电路),而mmcu不涉及实时控制,芯片受干扰程序出错后,可以利用wdt 或非法指令或非法地址复位来得到解决。它能监督cmcu的运行状态,一旦发现控制异常,可以马上对系统作补救措施,防止造成恶果。
2芯片方案可以为控制系统分散风险。我们可以选择容量小、速度快的廉价mcu进行设计,估计可以选到价格小于30元的芯片。 以上分析表明,采用第3种方案设计ups将是适合国内厂商的最合理方法,无论从原材料成本,开发难度,软件升级方便性和系统可靠性方面都优于另外2种方 案。对于其他行业,如果设备同时涉及实时控制和非实时管理,则采用双芯片或多芯片方案(芯片间通过can总线或spi或较慢的rs485总线通信)不失为 一种可取的方案。
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