基于TMS320F2808的高精度UPS電源鎖相技術(shù)

摘要：針對全數(shù)字控制的UPS 系統(tǒng)， 結(jié)合鎖相環(huán)原理， 提出了一種基于DSP TMS320F2808 的高精度數(shù)字鎖相控制方案。建立了數(shù)字鎖相環(huán)的模型， 列出了相應(yīng)的算法和程序?qū)崿F(xiàn)流程， 理論上鎖相精度可高達0. 144°。在實驗板上仿真并最終在實際的UPS 樣機上進行了實驗， 實驗及實際測試結(jié)果充分驗證了該方案的正確性和可行性。

　　0  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)和社會生活中得到廣泛應(yīng)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(fā)生變化時保證U PS 能向負載提供不間斷、穩(wěn)定的電源， 且不會對負載產(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， 同時由于器件老化和溫飄問題的存在，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)整麻煩等問題。隨著信息技術(shù)的發(fā)展以及數(shù)字信號處理( 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 芯片實現(xiàn)高精度鎖相控制的方法， 并給出了實驗板的仿真結(jié)果及實際硬件測試結(jié)果，該方法具有簡單實用、思路清晰、易于修改、鎖相穩(wěn)定，算法效率高等優(yōu)點。

　　1  數(shù)字鎖相環(huán)設(shè)計

　　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:

　　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的表達式可知， 要實現(xiàn)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(diào)節(jié)來實現(xiàn)。當(dāng)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(dāng)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(jīng)過幾個周期的調(diào)節(jié)之后， 便能實現(xiàn)逆變輸出和電網(wǎng)電壓的同頻同相 ， 如圖1 所示。

圖1  數(shù)字鎖相原理[!--empirenews.page--]

　　1. 2  數(shù)字鎖相環(huán)的模型

　　鎖相環(huán)是一個閉環(huán)的相位頻率控制系統(tǒng)， 其輸出必須能實時跟蹤輸入信號的頻率和相位。當(dāng)鎖相環(huán)處于! 鎖住?狀態(tài)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(chǎn)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(tǒng)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(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， 其中鑒相器用來對市電和逆變信號進行比較， 得到相位誤差信號Up ， Up 經(jīng)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(huán)是一個負反饋的過程。

( b) 數(shù)字鎖相環(huán)控制框圖

( a) 模擬鎖相環(huán)控框圖

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， 作為整個數(shù)字鎖相環(huán)的給定; 而鑒相器PD 的功能則可以通過DSP 的捕獲口來實現(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， 從而實現(xiàn)SPWM 波頻率的改變。

　　1. 3  高精度數(shù)字鎖相的控制與實現(xiàn)

　　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(chǎn)的高性能32位數(shù)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(jié)的FLASH、3 2 字節(jié)的SRAM、8K 字節(jié)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(shù)據(jù)， 并實現(xiàn)系統(tǒng)的不同方式引導(dǎo)。另外2808 還自帶增強型捕獲單元( eCAP) 、增強型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 價格便宜， 其內(nèi)核還支持IQ 變換函數(shù)庫， 使研發(fā)人員能方便地使用便宜的定點DSP 來實現(xiàn)浮點運算。

　　基于該芯片實現(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實現(xiàn)， 一個正弦周期產(chǎn)生的脈沖個數(shù)固定( 400) ， 程序中用一變量SPWM _i 來記錄當(dāng)前一個周期內(nèi)已經(jīng)產(chǎn)生的脈沖個數(shù)。為了提高產(chǎn)生波形的正弦度以及節(jié)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(shù)來實現(xiàn)。

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零比較器進行過零檢測， 得到與電網(wǎng)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(xiàn)， 鎖相實現(xiàn)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(xiàn)。其基本思想是獲取SPWM_i 為0 時的定時器計數(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; 否則計算相位差EcapPhased_err， 根據(jù)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(xiàn)， 算法簡單且易于實現(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。

圖4鎖相流程圖[!--empirenews.page--]

　　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)， 一周期開關(guān)點數(shù)N = 400， 2808 的工作頻率SYSCLKOU T= 100 MHz( 10 ns) ， 程序中設(shè)定定時器的時鐘頻率和系統(tǒng)頻率一樣， 即每10 ns 計1， 計數(shù)方式采用同步增減計數(shù)模式， 基波頻率為50 Hz( 即周期20ms) ， 因而每個正弦周期內(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(wǎng)電壓過零比較后波形， 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(wǎng)電壓進行鎖相， 試驗結(jié)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(jīng)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(xiàn)了逆變器輸出電壓與電網(wǎng)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(shù)是UPS 一項非常重要的技術(shù)。本文提出一種基于T I 公司的TMS320F2808DSP 芯片來實現(xiàn)高精度鎖相的方法， 該芯片價格便宜、性能優(yōu)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(jié)約了硬件成本， 使實現(xiàn)變得簡單， 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， 具有極高的實用意義。