0  引  言

　　UPS( 不間斷電源) 作為后備電源和改善電網質量的一種重要裝置， 在工業生產和社會生活中得到廣泛應用。U PS 在運行時， 要求其輸出電壓的頻率和相位與市電保持嚴格的一致， 這樣才能在市電發生變化時保證U PS 能向負載提供不間斷、穩定的電源， 且不會對負載產生大的沖擊。因此， 在UPS 中都必須加入鎖相的環節， 傳統的鎖相采用模擬電路控制， 硬件電路復雜、成本較高， 同時由于器件老化和溫飄問題的存在，使得系統可靠性和效率下降， 另外使用模擬技術還存在參數調整麻煩等問題。隨著信息技術的發展以及數字信號處理( DSP) 的成熟， UPS 的鎖相技術轉向數字控制已經成為一種必然， 本文提出了一種基于T I 公司的T MS320F2808 芯片實現高精度鎖相控制的方法， 并給出了實驗板的仿真結果及實際硬件測試結果，該方法具有簡單實用、思路清晰、易于修改、鎖相穩定，算法效率高等優點。

　　1  鎖相環" title="數字鎖相環">數字鎖相環設計

　　1. 1  鎖相原理

　　交流電網電壓ub和UPS 逆變輸出的電壓ui 分別為:

　　式中， Ubmax 與Uimax 分別為電網電壓幅值和逆變輸出電壓幅值; f1 與f2 分別為電網電壓和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的表達式可知， 要實現鎖相， 必須滿足:

　　即:

　　因此， ui 和ub的同頻同相可通過對f 2 進行調節來實現。當逆變輸出電壓超前市電電壓時， 則要求逆變輸出電壓的頻率f 2減小; 而當逆變電壓滯后市電電壓時， 則要求逆變輸出電壓的頻率f 2增大。這樣經過幾個周期的調節之后， 便能實現逆變輸出和電網電壓的同頻同相 ， 如圖1 所示。

圖1  數字鎖相原理

　　1. 2  數字鎖相環的模型

　　鎖相環是一個閉環的相位頻率控制系統， 其輸出必須能實時跟蹤輸入信號的頻率和相位。當鎖相環處于! 鎖住?狀態時， 輸出信號與輸入信號的相位差必須為零或保持不變。如果產生一個相位差， 控制方法將對振蕩器起作用， 使得相位差降至最小。這樣一個系統中， 輸出信號的相位就被鎖定到參考信號的相位。

　　為了建立數字鎖相環的數學模型， 我們先引入模擬的鎖相環控制框圖如圖2( a) 所示。從圖可以看出傳統的鎖相環由鑒相器( 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， 其中鑒相器用來對市電和逆變信號進行比較， 得到相位誤差信號Up ， Up 經低通濾波后得到信號Ul ， Ul 控制V CO 改變Uou t 的頻率和相位， 以達到鎖頻鎖相的目的， 整個環是一個負反饋的過程。

( b) 數字鎖相環控制框圖

( a) 模擬鎖相環控框圖

圖2  PLL 控制框圖

　　數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， 作為整個數字鎖相環的給定; 而鑒相器PD 的功能則可以通過DSP 的捕獲口來實現;kp+ k i/ s 為PI 調節， 可等效為圖2( a) 中的環路濾波器LPF; PI 的輸出改變載波周期， 從而實現SPWM 波頻率的改變。

　　1. 3  高精度數字鎖相的控制與實現

　　該控制方案選用的芯片TMS320F2808 ( 下文簡稱2808) 是美國德州儀器( T I) 公司生產的高性能32位數字信號處理器T MS320C28x 系列中的一種。

　　2808 的最高運行速度可達到100 MIPS， 可很好地滿足各種控制算法、信號處理算法等實時運算的需求。

　　片上集成128 K 字節的FLASH、3 2 字節的SRAM、8K 字節的BOOT ROM 和片上代碼保護模塊， 分別用來存儲用戶編制的程序、數據， 并實現系統的不同方式引導。另外2808 還自帶增強型捕獲單元( eCAP) 、增強型PWM 產生單元( 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 價格便宜， 其內核還支持IQ 變換函數庫， 使研發人員能方便地使用便宜的定點DSP 來實現浮點運算。

　　基于該芯片實現的高精度鎖相控制方案的整體硬件框圖如圖3 所示， 該方案首先是產生50 Hz 的SPWM( 正弦脈寬調制) 波。SPWM 波的產生采用等效面積法來實現， 一個正弦周期產生的脈沖個數固定( 400) ， 程序中用一變量SPWM _i 來記錄當前一個周期內已經產生的脈沖個數。為了提高產生波形的正弦度以及節省運算時間， 提高程序的運行效率， 程序中的乘除運算及余弦的求值均采用28 系列DSP 中含有的IQMAT H 庫函數來實現。

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電壓的檢測電路即可， 包括電網電壓經采樣變壓器降壓采樣， 再將采樣電壓送到過零比較器進行過零檢測， 得到與電網電壓同頻同相的方波信號， 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 口捕獲市電降壓過零檢測后得到方波的上升沿來實現， 鎖相實現流程如圖4 所示。從流程圖也可以看出， 該方法簡單、易于實現。其基本思想是獲取SPWM_i 為0 時的定時器計數值ECap1Regs. TSCTR 并存于Phase_er 中， 判斷該值是否在鎖相的死區范圍內， 若在則表示已鎖住相， 置鎖相完成標志位; 否則計算相位差EcapPhased_err， 根據相位差EcapPhased_err 來進行PI 運算得到此時的SPWM 載波周期修正量Delta_prd。程序中的PI 運算可用增量式PI 算法來實現， 算法簡單且易于實現， 將得到的SPWM 載波周期修正量Delta_pr d 跟電網電壓周期相加限幅后作為新的SPWM 載波周期值。

圖4鎖相流程圖

　　1. 4  鎖相精度

　　本方案中SPWM 波的產生采用雙極性同步調制技術， 一周期開關點數N = 400， 2808 的工作頻率SYSCLKOU T= 100 MHz( 10 ns) ， 程序中設定定時器的時鐘頻率和系統頻率一樣， 即每10 ns 計1， 計數方式采用同步增減計數模式， 基波頻率為50 Hz( 即周期20ms) ， 因而每個正弦周期內最小相差為: 400 × 10×2=8 000 ns， 0. 008/ 20 × 360°= 0. 144°， 即鎖相精度為:0. 144°/ 360°× 100 % = 0. 04 % 。鎖相仿真實驗波形如圖5 所示。

圖5  鎖相仿真波形圖

　　圖5( a) 中CH1 為模擬電網電壓過零比較后波形， CH2 為2808 控制板上輸出SPWM 波經RC 濾波后得到的正弦波， CH3 為2808 輸出的SPWM 波， 圖5( b) 為鎖相展開圖。從圖中可以看出， 鎖相效果良好。

　　2  實際樣機驗證

　　利用本文中提到的高精度鎖相控制方案， 在一臺6 kVA 單相在線式UPS 樣機上進行的實際實驗， 對UPS 的逆變輸出與電網電壓進行鎖相， 試驗結果如圖6 所示， 其中圖6( a) 為鎖相前市電與U PS 樣機輸出電壓的波形圖， 經鎖相后， 市電與UPS 樣機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， 實現了逆變器輸出電壓與電網電壓高精度的同頻同相。

圖6  6 kVA 在線式UPS樣機實驗鎖相波形

　　鎖相技術是UPS 一項非常重要的技術。本文提出一種基于T I 公司的TMS320F2808DSP 芯片來實現高精度鎖相的方法， 該芯片價格便宜、性能優越， 仿真及樣機實驗充分驗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， 也節約了硬件成本， 使實現變得簡單， 而且鎖相穩定、快速。該方案不僅可以應用于U PS 中， 在其它與鎖相相關的設備中都可以用上， 具有極高的實用意義。