基于TMS320F2808的高精度UPS電源鎖相技術

　　1. 2 數字鎖相環的模型

　　鎖相環是一個閉環的相位頻率控制系統， 其輸出必須能實時跟蹤輸入信號的頻率和相位。當鎖相環處于! 鎖住?狀態時， 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。

　　為了建立數字鎖相環的數學模型， 我們先引入模擬的鎖相環控制框圖如圖2( a) 所示。從圖可以看出傳統的鎖相環由鑒相器( 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， 整個環是一個負反饋的過程。

( b) 數字鎖相環控制框圖

( a) 模擬鎖相環控框圖

圖2 PLL 控制框圖

　　數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， 作為整個數字鎖相環的給定; 而鑒相器PD 的功能則可以通過DSP 的捕獲口來實現;kp+ k i/ s 為PI 調節， 可等效為圖2( a) 中的環路濾波器LPF; PI 的輸出改變載波周期， 從而實現SPWM 波頻率的改變。

　　1. 3 高精度數字鎖相的控制與實現

　　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) 公司生產的高性能32位數字信號處理器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 字節的FLASH、3 2 字節的SRAM、8K 字節的BOOT ROM 和片上代碼保護模塊， 分別用來存儲用戶編制的程序、數據， 并實現系統的不同方式引導。另外2808 還自帶增強型捕獲單元( eCAP) 、增強型PWM 產生單元( 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， 其內核還支持IQ 變換函數庫， 使研發人員能方便地使用便宜的定點DSP 來實現浮點運算。

　　基于該芯片實現的高精度鎖相控制方案的整體硬件框圖如圖3 所示， 該方案首先是產生50 Hz 的SPWM( 正弦脈寬調制) 波。SPWM 波的產生采用等效面積法來實現， 一個正弦周期產生的脈沖個數固定( 400) ， 程序中用一變量SPWM _i 來記錄當前一個周期內已經產生的脈沖個數。為了提高產生波形的正弦度以及節省運算時間， 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 庫函數來實現。

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電壓的檢測電路即可， 包括電網電壓經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， 鎖相實現流程如圖4 所示。從流程圖也可以看出， 該方法簡單、易于實現。其基本思想是獲取SPWM_i 為0 時的定時器計數值ECap1Regs. TSCTR 并存于Phase_er 中， 判斷該值是否在鎖相的死區范圍內， 若在則表示已鎖住相， 置鎖相完成標志位; 否則計算相位差EcapPhased_err， 根據相位差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， 算法簡單且易于實現， 將得到的SPWM 載波周期修正量Delta_pr d 跟電網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