基于DSP技術的軟件鎖相環設計

0 引言

隨著世界環境污染與經濟危機的曰趨嚴重，可再生能源的研究越來越受人們重視。作為最有開發前景可產生可再生能源的變流器并網技術成為人們研究的重點。其中鎖相技術是其核心技術。

常用的鎖相有硬件鎖相和軟件鎖相。傳統的硬件鎖相就是通過邏輯器件對電壓信號進行過零檢測，電路簡單、設計巧妙，但具有一些不足，當電網電壓發生頻率、相位突變或三相電壓不平衡時很難實現鎖相，動態性能較差。而軟件鎖相具有良好的抗干擾能力，能以較高的精度、較快的速度實現鎖相。

因此，本文在分析鎖相環基本原理的基礎上，搭建并網試驗平臺，采用設計自由、適應性強的軟件鎖相技術，試驗表明，本軟鎖相技術可很好地實現鎖相。

1 鎖相環基本原理

鎖相環是一個相位誤差反饋系統，由鑒相器(PD)、低通濾波器(LPF)和壓控振蕩器(VCO)組成，其工作原理是將輸入的電壓信號與SPLL內部信號的相位差轉換為直流量，經過濾波器后通過壓控振蕩器，實現信號的頻率和相位的調整，從而使其與電網電壓同頻同相，其控制結構圖如圖1所示。

其中，鑒相器采用乘法器，構成基于乘法鑒相器的閉環鎖相環，將壓控振蕩器的輸出信號v0與輸入信號vg進行相位比較，從而產生相位差的誤差電壓vd。

鑒相器輸出式(1)：

上式中可以發現，鑒相器輸出的相位差中存在高頻分量，因此需要通過低通濾波器來濾除其中的高頻成分。低通濾波器實際上是一個比例積分控制器PI，濾除誤差電壓vd中的二次諧波分量和噪聲，以確保系統的穩定性，通過PI控制器的誤差傳遞函數輸出為式(2)。

壓控振蕩器在鎖相環路中起了一次積分的作用，即壓控振蕩器實際上是鎖相環路中的固有積分環節，完成電壓/頻率的變換。

2 硬件電路設計

2.1 DSP28335簡單介紹

本文采用的DSP芯片為TMS320F28335，該芯片具有一個12位帶流水線結構的模/數轉換器和6個獨立的ePWM模塊。ADC具有16個通道，1個轉換內核，可實現順序采樣和同時采樣。一個完整的ePWM輸出通道包括EPWMxA和EPWMxB兩路信號。實驗系統中的IPM模塊驅動信號由該模塊產生。

2.2 信號調理電路

本設計采用霍爾電壓傳感器VSM025對交流電壓進行采樣，將采集到的電網電壓轉換成在-3～+3V之間;同時通過信號調理電路對傳感器輸出的電壓信號進行差分放大和抬升，并輸出0～3V電壓信號，通過DSP的AD采樣后進行信號的采集和處理。其信號調理電路如圖2所示。

2.3 信號輸出電路

PWM信號是一系列可變脈寬的脈沖信號，其輸出可以用來表征模擬信號，在PWM輸出端進行積分可以得到期望的模擬信號。本系統中產生的PWM波通過邏輯芯片來驅動IPM模塊，通過RC低通濾波電路到PWMDAC口將波形輸出觀察。其電路圖如圖3所示。

3 軟件算法設計

并網發電系統中，通過鎖相技術實現電網電壓相位的鎖定，從而使逆變輸出的電流與電網電壓同頻同相。鎖相技術中其控制精度直接影響到并網運行的性能。軟件鎖相的流程圖如圖4所示。

4 實驗驗證

4.1 采用PWMDAC進行驗證

為了驗證軟件鎖相的效果搭建了實驗平臺，該平臺包含模擬電網、電壓傳感器、信號調理電路、DSP(TMS320F28335)核心板、信號輸出電路、數字示波器六個部分，如圖5所示。

通過霍爾電壓傳感器檢測電網三相電壓中一相的電壓，將采集到的信號通過信號調理電路進行處理，隨后經DSP的AD口進行采樣，并在DSP的內部進行鎖相，并通過PWM口的RC濾波電路進行輸出。通過數字示波器觀察PWMDAC口的輸出波形與電網電壓波形來判斷鎖相的效果。

示波器觀察波形如圖6所示，系統中模擬電網的電壓為18V，如藍線(上)所示，綠線(下)為PWMDAC口輸出電壓。通過觀察可以發現，PWMDAC的波形和電網電壓相位一致，很好地實現了電網電壓相位的鎖定。

4.2 并網驗證

在軟件鎖相的基礎上搭建并網實驗平臺，包含三相模擬電網、電壓傳感器、信號調理電路、DSP(TMS320F28335)核心板、IPM模塊、三相電感、電流傳感器、數字示波器八部分，如圖7所示。其中IPM模塊使用的是三菱公司的型號為PS21765的模塊，IPM內部集成了邏輯、控制、檢測和保護電路。三相電感的電感值為7mH。電流傳感器檢測輸出電流信號，其信號調理電路與電壓一樣。

DSP產生的PWM信號，經過邏輯電路來驅動三菱公司的IPM，并網時，先觀察鎖相波形及輸出電壓，在滿足條件的前提下實現并網。并網結果波形如圖8所示，紅線為輸出電流波形，藍線為通過傳感器后的電網電壓波形。

通過觀察發現，并網逆變器的輸出電流和電網電壓相位一致，從而實現相位鎖定和逆變器并網。

5 總結