基于TMS320F2808的高精度UPS電源鎖相技術(shù)

　　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