一種全數(shù)字UPS逆變器鎖相控制技術(shù)的研究

1.引言

UPS,不間斷電源，是指在市電正?；蚬收锨闆r下均可為負(fù)載提供可靠、穩(wěn)定的電源形式。多用于在一些關(guān)鍵性的負(fù)載如計(jì)算機(jī)機(jī)房、醫(yī)院等場(chǎng)合，為負(fù)載提供了最多的電源故障保護(hù)。然而傳統(tǒng)的在線UPS有多個(gè)功率部分和模擬控制器，是一個(gè)非常復(fù)雜、昂貴的系統(tǒng)。因此，適合現(xiàn)代科技發(fā)展的高質(zhì)量、高可靠性全數(shù)字UPS(不間斷電源)的研究就成為人們十分關(guān)注的課題。數(shù)字化控制以控制簡(jiǎn)單、靈活，輸出性能更加穩(wěn)定，可以實(shí)現(xiàn)模擬控制所難以達(dá)到的功能等諸多優(yōu)勢(shì)成為電源研究領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，為電力電子提供了越來(lái)越多的解決方案，使UPS電源的全數(shù)字制、各種先進(jìn)控制策略的引入逐步成為現(xiàn)實(shí)。

本文主要討論在基于TMS320LF2407數(shù)字化控制平臺(tái)的UPS中的關(guān)鍵技術(shù)之一-鎖相控制技術(shù)。

2.鎖相意義

不間斷電源工作過(guò)程中存在兩次切換：

一是電源啟動(dòng)時(shí)由旁路向負(fù)載供電，逆變器空載運(yùn)行，同時(shí)啟動(dòng)鎖相功能，調(diào)整逆變輸出跟蹤電網(wǎng)頻率和相位，當(dāng)逆變輸出跟蹤上電網(wǎng)頻率時(shí)切換至逆變器為負(fù)載供電;二是當(dāng)逆變電路發(fā)生故障，或者當(dāng)負(fù)載有沖擊性(例如啟動(dòng)負(fù)載時(shí))或過(guò)載時(shí)，控制系統(tǒng)將封鎖PWM輸出停止逆變器對(duì)負(fù)載的供電，同時(shí)接通旁路開(kāi)關(guān)，由電網(wǎng)直接向負(fù)載供電。

為有效保證逆變旁路切換過(guò)程不對(duì)負(fù)載產(chǎn)生過(guò)大的沖擊，UPS逆變輸出電壓必須與電網(wǎng)電壓的頻率及相位保持一致。因此，UPS系統(tǒng)引入了鎖相控制技術(shù)，軟件鎖相技術(shù)是數(shù)字化UPS的重要環(huán)節(jié)之一。快速可靠的軟件鎖相跟蹤技術(shù)可以準(zhǔn)確地為逆變器數(shù)字化控制提供與電網(wǎng)電壓同頻同相的標(biāo)準(zhǔn)電壓參考正弦波。

3.鎖相環(huán)基本原理

鎖相環(huán)是一個(gè)閉環(huán)的相位控制系統(tǒng)，能夠自動(dòng)跟蹤輸入信號(hào)的頻率和相位。它由相位比較器、低通濾波器、壓控振蕩器三部分組成，其控制框圖見(jiàn)圖1.

圖1:鎖相控制框圖

其工作原理為：將壓控振蕩器的輸出信號(hào)uo(t)與電網(wǎng)的采樣信號(hào)ui(t)兩路頻率與相位不同的信號(hào)送入相位比較器，生成的誤差信號(hào)ue(t)的幅度與uo(t)和ui(t)信號(hào)的相位差成正比。ue(t)經(jīng)低通濾波器處理后將向外送出一個(gè)相當(dāng)于ue(t)信號(hào)的平均值的控制電壓信號(hào)uc(t)，壓控振蕩器在信號(hào)uc(t)的控制下將調(diào)整輸出電壓信號(hào)uo(t)的頻率和相位，從而使uo(t)與ui(t)兩路信號(hào)的頻率和相位差逐漸減小。

4.在線式UPS的鎖相控制技術(shù)

根據(jù)單相U P S逆變器的控制電路產(chǎn)成SPWM波方式的不同，實(shí)現(xiàn)UPS的鎖相控制方法有很大區(qū)別，下面分別討論。

4.1 在線式UPS的模擬鎖相控制技術(shù)

傳統(tǒng)的在線式UPS電源，其鎖相控制原理框圖如圖2所示。當(dāng)供電正常時(shí)，電網(wǎng)電壓檢測(cè)電路輸出高電平，50Hz電網(wǎng)電壓經(jīng)波形變換電路被轉(zhuǎn)換成周期為20ms的單極性“倒置全波整流”信號(hào)，再送到模擬開(kāi)關(guān)1的輸入端，經(jīng)過(guò)模擬開(kāi)關(guān)2后產(chǎn)生一串電網(wǎng)電壓同步跟蹤信號(hào)。由于變頻器的輸出信號(hào)是周期為20ms的同步捕捉信號(hào)，因此加在多諧振蕩器控制端上的電網(wǎng)同步跟蹤信號(hào)可對(duì)高頻振蕩器的高頻輸出脈沖進(jìn)行相位調(diào)整，以確保正弦波發(fā)生器輸出50Hz的基準(zhǔn)正弦波。經(jīng)過(guò)鎖相同步電路，即“鎖相環(huán)”,該正弦波總是與電網(wǎng)電壓處于同頻同相的同步跟蹤狀態(tài)。當(dāng)供電異常時(shí)，則由多諧振蕩器產(chǎn)生本振頻率為20kHz的信號(hào)，經(jīng)分頻器輸出500Hz的脈沖序列，然后經(jīng)正弦波發(fā)生器產(chǎn)生穩(wěn)頻的50Hz標(biāo)準(zhǔn)正弦波。

圖2:帶輸出變壓器的在線式UPS電源鎖相控制原理圖

傳統(tǒng)的正弦波信號(hào)發(fā)生器采用反饋振蕩電路，利用電路的自激振蕩和選頻作用輸出正弦波，但是低頻模擬振蕩器有一個(gè)缺點(diǎn)：

受電壓和溫度的影響大，輸出信號(hào)的頻率和幅度穩(wěn)定性差，很難達(dá)到作為交流基準(zhǔn)的要求;而且完全用模擬器件使得控制電路結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，不便于生產(chǎn)，難以調(diào)試。

4.2 在線式UPS的數(shù)字鎖相控制技術(shù)

在線式UPS的數(shù)字鎖相控制技術(shù)中采用微處理器作為核心控制芯片，并采用軟件實(shí)現(xiàn)相位鎖存的方法，其電路一般由以下幾部分組成：交流電壓互感器，精密整流電路，過(guò)零比較器，低通濾波器，反相器，模擬切換開(kāi)關(guān)及微處理器。其電路組成框圖見(jiàn)圖3.

圖3:在線式UPS數(shù)字鎖相控制電路組成框圖

該電路工作原理為：電網(wǎng)交流電壓經(jīng)過(guò)電壓互感器隔離降壓成為與電網(wǎng)電壓同頻同相的低壓交流信號(hào)，一路經(jīng)過(guò)精密整流電路成為正極性的半波直流電壓信號(hào)，通過(guò)微處理器內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器，測(cè)得電壓的幅值;另一路經(jīng)過(guò)電壓過(guò)零比較器輸出交流信號(hào)的正負(fù)極性，經(jīng)過(guò)I/O口進(jìn)入單片機(jī)，這樣就可測(cè)得外部交流電壓的實(shí)時(shí)波形數(shù)據(jù)，在將采集的波形數(shù)字序列經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換，即可以輸出正弦波。由于電網(wǎng)電壓中含有大量諧波成分，經(jīng)電壓互感器采集的交流電壓信號(hào)并不是純凈的正弦波，所以采用直接輸出方式產(chǎn)生的波形并不是穩(wěn)定純凈的正弦波。

因此，在PWM輸出后加入數(shù)字低通濾波器以濾除高頻諧波成分，從而保證輸出電壓的穩(wěn)定性和純凈度。

其具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程是：首先，用數(shù)字序列調(diào)制單片機(jī)內(nèi)部的PWM脈寬調(diào)制電路，使之產(chǎn)生的脈沖方波寬度正比于信號(hào)幅度，如果微處理器采用20MHz晶振，PWM輸出為8位分辨率時(shí)，輸出方波的最高頻率為78KHz,所以在PWM輸出端加一個(gè)積分常數(shù)很小的RC低通濾波器就可以得到很平滑的半波輸出波形，低通濾波器造成的相位延遲可以忽略不計(jì)。該信號(hào)一路直接送到模擬開(kāi)關(guān)，另一路送到反相電路成為負(fù)極性的半波電壓信號(hào)，再送到模擬開(kāi)關(guān)，這正負(fù)極性?xún)陕冯妷盒盘?hào)經(jīng)過(guò)單片機(jī)控制的模擬開(kāi)關(guān)切換，就輸出與外部電網(wǎng)相位同步的正弦波信號(hào)。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，微處理器將讀取其存儲(chǔ)器中儲(chǔ)存的標(biāo)準(zhǔn)50Hz正弦波序列以控制逆變輸出。

4.3 在線式UPS的軟件鎖相控制技術(shù)

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多性?xún)r(jià)比高的用于電機(jī)控制的專(zhuān)用微處理器，微處理器內(nèi)部集成了PWM波產(chǎn)生電路，可以通過(guò)軟件編程來(lái)改變PWM波輸出頻率。UPS中的軟件鎖相控制就是基于此類(lèi)微處理器，以程序計(jì)算方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。其軟件實(shí)現(xiàn)的方式有兩種。一種是需要對(duì)市電電壓和逆變輸出電壓兩路信號(hào)進(jìn)行濾波整形，變換為與其同頻率的方波信號(hào)，通過(guò)微處理器的捕獲引腳捕獲方波上升沿的跳變，由捕獲值來(lái)計(jì)算頻率及相位差，以此調(diào)整輸出SPWM波的頻率，使得兩路信號(hào)的頻率與相位保持一致，其鎖相同步控制原理框圖如圖4所示。另一種方法只需對(duì)市電電壓進(jìn)行方波變換，在對(duì)市電變換方波的捕獲中斷中，通過(guò)判斷SPWM輸出波的相位相對(duì)于市電相位的超前或滯后，通過(guò)改變SPWM定時(shí)器周期值來(lái)調(diào)整SPWM波下周期的輸出頻率，從而實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤。

圖4:軟件鎖相同步控制

兩種方法的共同之處是：都事先設(shè)定電網(wǎng)電壓頻率為50Hz,根據(jù)SPWM載波頻率將每個(gè)電壓周期分為N等份(當(dāng)載波頻率為78KHz時(shí)，N=150)，將對(duì)應(yīng)時(shí)刻的正弦值制作成表存在微處理器的存儲(chǔ)器中，保持每SPWM周期輸出序列個(gè)數(shù)N值不變，調(diào)整載波頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓頻率的調(diào)整;它們的實(shí)現(xiàn)過(guò)程都依賴(lài)于兩個(gè)中斷，一個(gè)是SPWM載波周期定時(shí)器中斷，一個(gè)是捕獲中斷(可通過(guò)設(shè)置捕獲中斷方式使得捕獲中斷發(fā)生在正弦波周期的零相位時(shí)刻)。

由于兩種方法都是通過(guò)調(diào)整SPWM頻率實(shí)現(xiàn)逆變輸出對(duì)市電電壓的鎖相，穩(wěn)態(tài)時(shí)其跟蹤精度較高，但動(dòng)態(tài)性能不好，鎖相環(huán)啟動(dòng)時(shí)的跟蹤調(diào)整速度較慢，因此同步響應(yīng)速度有待提高，且需進(jìn)一步增強(qiáng)同步的抗干擾和容錯(cuò)能力。

5.結(jié)論

本文所研究的基于TMS320LF2407數(shù)字化控制平臺(tái)的UPS的軟件鎖相技術(shù)，鎖相精度高，易于實(shí)現(xiàn)，可以很好地滿足不間斷電源的鎖相技術(shù)要求。