引? 言

　　UPS( 不間斷電源) 作為后備電源和改善電網(wǎng)質(zhì)量的一種重要裝置， 在工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)生活中得到廣泛應(yīng)用。U PS 在運(yùn)行時(shí)， 要求其輸出電壓的頻率和相位與市電保持嚴(yán)格的一致， 這樣才能在市電發(fā)生變化時(shí)保證U PS 能向負(fù)載提供不間斷、穩(wěn)定的電源， 且不會(huì)對(duì)負(fù)載產(chǎn)生大的沖擊。因此， 在UPS 中都必須加入鎖相的環(huán)節(jié)， 傳統(tǒng)的鎖相采用模擬電路控制， 硬件電路復(fù)雜、成本較高， 同時(shí)由于器件老化和溫飄問(wèn)題的存在，使得系統(tǒng)可靠性和效率下降， 另外使用模擬技術(shù)還存在參數(shù)調(diào)整麻煩等問(wèn)題。隨著信息技術(shù)的發(fā)展以及數(shù)字信號(hào)處理( DSP) 的成熟， UPS 的鎖相技術(shù)轉(zhuǎn)向數(shù)字控制已經(jīng)成為一種必然， 本文提出了一種基于T I 公司的T MS320F2808 芯片實(shí)現(xiàn)高精度鎖相控制的方法， 并給出了實(shí)驗(yàn)板的仿真結(jié)果及實(shí)際硬件測(cè)試結(jié)果，該方法具有簡(jiǎn)單實(shí)用、思路清晰、易于修改、鎖相穩(wěn)定，算法效率高等優(yōu)點(diǎn)。

　　1? 數(shù)字鎖相環(huán)設(shè)計(jì)

　　1. 1? 鎖相原理

　　交流電網(wǎng)電壓ub和UPS 逆變輸出的電壓ui 分別為:

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　　式中， Ubmax 與Uimax 分別為電網(wǎng)電壓幅值和逆變輸出電壓幅值; f1 與f2 分別為電網(wǎng)電壓和UPS 逆變輸出電壓的頻率;? 表示u i 超前或滯后ub的相位角。由ui 和ub的表達(dá)式可知， 要實(shí)現(xiàn)鎖相， 必須滿足:

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　　即:

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　　因此， ui 和ub的同頻同相可通過(guò)對(duì)f 2 進(jìn)行調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)逆變輸出電壓超前市電電壓時(shí)， 則要求逆變輸出電壓的頻率f 2減小; 而當(dāng)逆變電壓滯后市電電壓時(shí)， 則要求逆變輸出電壓的頻率f 2增大。這樣經(jīng)過(guò)幾個(gè)周期的調(diào)節(jié)之后， 便能實(shí)現(xiàn)逆變輸出和電網(wǎng)電壓的同頻同相 ， 如圖1 所示。

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圖1? 數(shù)字鎖相原理

　　1. 2? 數(shù)字鎖相環(huán)的模型

　　鎖相環(huán)是一個(gè)閉環(huán)的相位頻率控制系統(tǒng)， 其輸出必須能實(shí)時(shí)跟蹤輸入信號(hào)的頻率和相位。當(dāng)鎖相環(huán)處于! 鎖住?狀態(tài)時(shí)， 輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的相位差必須為零或保持不變。如果產(chǎn)生一個(gè)相位差， 控制方法將對(duì)振蕩器起作用， 使得相位差降至最小。這樣一個(gè)系統(tǒng)中， 輸出信號(hào)的相位就被鎖定到參考信號(hào)的相位。

　　為了建立數(shù)字鎖相環(huán)的數(shù)學(xué)模型， 我們先引入模擬的鎖相環(huán)控制框圖如圖2( a) 所示。從圖可以看出傳統(tǒng)的鎖相環(huán)由鑒相器( Phase Detector ) 、低通濾波器( Low Pass Filter) 及壓控振蕩器( V oltag e Cont ro llerOscillator) 三部分組成， 其中鑒相器用來(lái)對(duì)市電和逆變信號(hào)進(jìn)行比較， 得到相位誤差信號(hào)Up ， Up 經(jīng)低通濾波后得到信號(hào)Ul ， Ul 控制V CO 改變Uou t 的頻率和相位， 以達(dá)到鎖頻鎖相的目的， 整個(gè)環(huán)是一個(gè)負(fù)反饋的過(guò)程。

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( a) 模擬鎖相環(huán)控框圖

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( b) 數(shù)字鎖相環(huán)控制框圖

圖2? PLL 控制框圖

　　數(shù)字鎖相的控制框圖如圖2( b) 所示。圖中 in為輸入市電的相位信息， 作為整個(gè)數(shù)字鎖相環(huán)的給定; 而鑒相器PD 的功能則可以通過(guò)DSP 的捕獲口來(lái)實(shí)現(xiàn);kp+ k i/ s 為PI 調(diào)節(jié)， 可等效為圖2( a) 中的環(huán)路濾波器LPF; PI 的輸出改變載波周期， 從而實(shí)現(xiàn)SPWM 波頻率的改變。

　　1. 3? 高精度數(shù)字鎖相的控制與實(shí)現(xiàn)

　　該控制方案選用的芯片TMS320F2808 ( 下文簡(jiǎn)稱(chēng)2808) 是美國(guó)德州儀器( T I) 公司生產(chǎn)的高性能32位數(shù)字信號(hào)處理器T MS320C28x 系列中的一種。

　　2808 的最高運(yùn)行速度可達(dá)到100 MIPS， 可很好地滿足各種控制算法、信號(hào)處理算法等實(shí)時(shí)運(yùn)算的需求。

　　片上集成128 K 字節(jié)的FLASH、3 2 字節(jié)的SRAM、8K 字節(jié)的BOOT ROM 和片上代碼保護(hù)模塊， 分別用來(lái)存儲(chǔ)用戶編制的程序、數(shù)據(jù)， 并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的不同方式引導(dǎo)。另外2808 還自帶增強(qiáng)型捕獲單元( eCAP) 、增強(qiáng)型PWM 產(chǎn)生單元( ePWM) 、12 位16 通道快速ADC 單元以及其它的一些通訊模塊如SCI、SPI、eCAN 等。2808 價(jià)格便宜， 其內(nèi)核還支持IQ 變換函數(shù)庫(kù)， 使研發(fā)人員能方便地使用便宜的定點(diǎn)DSP 來(lái)實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)運(yùn)算。

　　基于該芯片實(shí)現(xiàn)的高精度鎖相控制方案的整體硬件框圖如圖3 所示， 該方案首先是產(chǎn)生50 Hz 的SPWM( 正弦脈寬調(diào)制) 波。SPWM 波的產(chǎn)生采用等效面積法來(lái)實(shí)現(xiàn)， 一個(gè)正弦周期產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)固定( 400) ， 程序中用一變量SPWM _i 來(lái)記錄當(dāng)前一個(gè)周期內(nèi)已經(jīng)產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)。為了提高產(chǎn)生波形的正弦度以及節(jié)省運(yùn)算時(shí)間， 提高程序的運(yùn)行效率， 程序中的乘除運(yùn)算及余弦的求值均采用28 系列DSP 中含有的IQMAT H 庫(kù)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

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圖3? 鎖相方案硬件框圖

　　逆變輸出完全由軟件控制， 從SPWM_i 便可知逆變輸出電壓的相位信息。因此， 本方案在硬件方面僅需要電網(wǎng)電壓的檢測(cè)電路即可， 包括電網(wǎng)電壓經(jīng)采樣變壓器降壓采樣， 再將采樣電壓送到過(guò)零比較器進(jìn)行過(guò)零檢測(cè)， 得到與電網(wǎng)電壓同頻同相的方波信號(hào)， 然后限壓濾波， 最后送給2808 的eCAP1 口。本方案的鎖相原理如圖1 所示， 鑒相器用2808 的eCAP1 口捕獲市電降壓過(guò)零檢測(cè)后得到方波的上升沿來(lái)實(shí)現(xiàn)， 鎖相實(shí)現(xiàn)流程如圖4 所示。從流程圖也可以看出， 該方法簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。其基本思想是獲取SPWM_i 為0 時(shí)的定時(shí)器計(jì)數(shù)值ECap1Regs. TSCTR 并存于Phase_er 中， 判斷該值是否在鎖相的死區(qū)范圍內(nèi)， 若在則表示已鎖住相， 置鎖相完成標(biāo)志位; 否則計(jì)算相位差EcapPhased_err， 根據(jù)相位差EcapPhased_err 來(lái)進(jìn)行PI 運(yùn)算得到此時(shí)的SPWM 載波周期修正量Delta_prd。程序中的PI 運(yùn)算可用增量式PI 算法來(lái)實(shí)現(xiàn)， 算法簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)， 將得到的SPWM 載波周期修正量Delta_pr d 跟電網(wǎng)電壓周期相加限幅后作為新的SPWM 載波周期值。

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圖4鎖相流程圖

　　1. 4? 鎖相精度

　　本方案中SPWM 波的產(chǎn)生采用雙極性同步調(diào)制技術(shù)， 一周期開(kāi)關(guān)點(diǎn)數(shù)N = 400， 2808 的工作頻率SYSCLKOU T= 100 MHz( 10 ns) ， 程序中設(shè)定定時(shí)器的時(shí)鐘頻率和系統(tǒng)頻率一樣， 即每10 ns 計(jì)1， 計(jì)數(shù)方式采用同步增減計(jì)數(shù)模式， 基波頻率為50 Hz( 即周期20ms) ， 因而每個(gè)正弦周期內(nèi)最小相差為: 400 × 10×2=8 000 ns， 0. 008/ 20 × 360°= 0. 144°， 即鎖相精度為:0. 144°/ 360°× 100 % = 0. 04 % 。鎖相仿真實(shí)驗(yàn)波形如圖5 所示。

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圖5? 鎖相仿真波形圖

　　圖5( a) 中CH1 為模擬電網(wǎng)電壓過(guò)零比較后波形， CH2 為2808 控制板上輸出SPWM 波經(jīng)RC 濾波后得到的正弦波， CH3 為2808 輸出的SPWM 波， 圖5( b) 為鎖相展開(kāi)圖。從圖中可以看出， 鎖相效果良好。

　　2? 實(shí)際樣機(jī)驗(yàn)證

　　利用本文中提到的高精度鎖相控制方案， 在一臺(tái)6 kVA 單相在線式UPS 樣機(jī)上進(jìn)行的實(shí)際實(shí)驗(yàn)， 對(duì)UPS 的逆變輸出與電網(wǎng)電壓進(jìn)行鎖相， 試驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示， 其中圖6( a) 為鎖相前市電與U PS 樣機(jī)輸出電壓的波形圖， 經(jīng)鎖相后， 市電與UPS 樣機(jī)的輸出電壓波形如圖6( b) 所示， 由圖中可以看出， 鎖相后二者波形很好地吻合， 實(shí)現(xiàn)了逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓高精度的同頻同相。

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圖6? 6 kVA 在線式UPS樣機(jī)實(shí)驗(yàn)鎖相波形

　　鎖相技術(shù)是UPS 一項(xiàng)非常重要的技術(shù)。本文提出一種基于T I 公司的TMS320F2808DSP 芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度鎖相的方法， 該芯片價(jià)格便宜、性能優(yōu)越， 仿真及樣機(jī)實(shí)驗(yàn)充分驗(yàn)證了該方法的正確性和可行性。

　　另外該方法僅需采集一路的電壓信號(hào)， 也節(jié)約了硬件成本， 使實(shí)現(xiàn)變得簡(jiǎn)單， 而且鎖相穩(wěn)定、快速。該方案不僅可以應(yīng)用于U PS 中， 在其它與鎖相相關(guān)的設(shè)備中都可以用上， 具有極高的實(shí)用意義。

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