基于TMS320F2808的高精度UPS電源鎖相技術(shù)

摘要：針對(duì)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(dá)0. 144°。在實(shí)驗(yàn)板上仿真并最終在實(shí)際的UPS 樣機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)， 實(shí)驗(yàn)及實(shí)際測(cè)試結(jié)果充分驗(yàn)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(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:

　　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:

　　即:

　　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。

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(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。

( 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(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)。

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。

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(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。

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。

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。