基于單片機的UPS數字化鎖相技術

為了實現對電網電壓、頻率和相位的跟蹤，可利用一個比較器進行過零檢測，以提高抗干擾能力及保證檢測的快速性，工程上所用的比較器一般為滯環比較器。圖4示出過零檢測滯環比較器電路及其輸出波形。

為了實現鎖相，程序中采用了一個單增模式計數器，計數溢出后自動清零，由單片機的定時器TA來充當。同時設定兩個寄存器ophs和kx。當逆變器的輸出電壓上升沿發生觸發中斷時，將捕獲通道的計數值賦給ophs;同理，當ub中斷時，將捕獲通道的計數值賦給kx，兩值相減即為相位差。

2.3 數字鎖相環路傳函

在數字鎖相控制中，圖1的環路濾波器用比例積分環節替代，壓控振蕩器變成數控振蕩器，并通過相位累加器予以實現。改變uoi的相位，以跟蹤輸入電壓的相位是非常困難的，因此在實際中一般通過改變逆變器的 頻率來達到跟蹤輸入電壓相位的目的。這里也正是采用這種方法來鎖相的，所以逆變器可等效為純積分環節。

為了保證穩態時逆變器跟蹤電網相位的誤差為零，環路濾波器采用分段式變PI調節器，PI調節器的傳遞函數表達式為： (1)

式中Kp,KI——比例環節和積分環節的系數

當采樣周期很短時，映射到z域時有： (2)

在數字控制中，由文獻[3]可知，數控振蕩器的z域傳遞函數為： (3)

式中ω——輸入電壓角頻率

z-1——延時一個采樣周期

——積分環節，相當于模擬鎖相環s域的傳遞函數1/s

T——鎖相環的采樣周期，T=2π/ω

針對環路各部分環節，系統的閉環傳遞函數為： (4)

式中K1——比例環節P參數

K2——積分環節I參數

特征方程為：

z2+(K1+K2-2)z+(1-K1)=0(5)

根據離散系統奈奎斯特判據，環路穩定的充分必要條件是閉環傳遞函數特征方程的特征根全部位于z平面的單位圓內，解得環路的穩定條件為K1> 0;K2>0;2K1+K24。由此可確定P和I的參數值。

2.4 數字鎖相程序

程序上安排單片機的兩個捕獲中斷程序及周期中斷程序，以完成檢測和計算任務。

(1)逆變輸出電壓捕獲中斷程序 該程序的任務是實現逆變器的輸出電壓過零點的檢測及時刻的讀取。當CAP口捕獲到逆變器的輸出電壓對應的方波上升沿時，進入CAP中斷程序，讀取TACH1的值，并賦給ophs，它代表了逆變器輸出電壓的相位值。

(2)旁路電壓捕獲中斷程序 該程序的任務是實現旁路電壓過零點的檢測及時刻的讀取，并且計算相差作為PI調節，得出載波周期的總調節量。當CAP口捕獲到旁路電壓對應的方波上升沿時，進入CAP中斷程序，讀取TACH0的值，并賦給Kx，它代表了旁路電壓的相位值。

相位差的計算公式為Phasemin=kx-ophs。當相位差寄存器Phasemin超出鎖相誤差允許范圍時，通過數字PI調節器進行閉環控制，在此采用分段式變PI調節器得出鎖相調節量。