一種全數字UPS逆變器鎖相控制技術的研究

　　1.引言

　　UPS，不間斷電源，是指在市電正常或故障情況下均可為負載提供可靠、穩定的電源形式。多用于在一些關鍵性的負載如計算機機房、醫院等場合，為負載提供了最多的電源故障保護。然而傳統的在線UPS有多個功率部分和模擬控制器，是一個非常復雜、昂貴的系統。因此，適合現代科技發展的高質量、高可靠性全數字UPS（不間斷電源）的研究就成為人們十分關注的課題。數字化控制以控制簡單、靈活，輸出性能更加穩定，可以實現模擬控制所難以達到的功能等諸多優勢成為電源研究領域的一大熱點。隨著微電子技術的發展，為電力電子提供了越來越多的解決方案，使UPS電源的全數字制、各種先進控制策略的引入逐步成為現實。

　　本文主要討論在基于TMS320LF2407數字化控制平臺的UPS中的關鍵技術之一-鎖相控制技術。

　　2.鎖相意義

　　不間斷電源工作過程中存在兩次切換：

　　一是電源啟動時由旁路向負載供電，逆變器空載運行，同時啟動鎖相功能，調整逆變輸出跟蹤電網頻率和相位，當逆變輸出跟蹤上電網頻率時切換至逆變器為負載供電；二是當逆變電路發生故障，或者當負載有沖擊性（例如啟動負載時）或過載時，控制系統將封鎖PWM輸出停止逆變器對負載的供電，同時接通旁路開關，由電網直接向負載供電。

　　為有效保證逆變旁路切換過程不對負載產生過大的沖擊，UPS逆變輸出電壓必須與電網電壓的頻率及相位保持一致。因此，UPS系統引入了鎖相控制技術，軟件鎖相技術是數字化UPS的重要環節之一。快速可靠的軟件鎖相跟蹤技術可以準確地為逆變器數字化控制提供與電網電壓同頻同相的標準電壓參考正弦波。

　　3.鎖相環基本原理

　　鎖相環是一個閉環的相位控制系統，能夠自動跟蹤輸入信號的頻率和相位。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uo（t）與電網的采樣信號ui（t）兩路頻率與相位不同的信號送入相位比較器，生成的誤差信號ue（t）的幅度與uo（t）和ui（t）信號的相位差成正比。ue（t）經低通濾波器處理后將向外送出一個相當于ue（t）信號的平均值的控制電壓信號uc（t），壓控振蕩器在信號uc（t）的控制下將調整輸出電壓信號uo（t）的頻率和相位，從而使uo（t）與ui（t）兩路信號的頻率和相位差逐漸減小。

　　4.在線式UPS的鎖相控制技術

　　根據單相U P S逆變器的控制電路產成SPWM波方式的不同，實現UPS的鎖相控制方法有很大區別，下面分別討論。

　　4.1 在線式UPS的模擬鎖相控制技術

　　傳統的在線式UPS電源，其鎖相控制原理框圖如圖2所示。當供電正常時，電網電壓檢測電路輸出高電平，50Hz電網電壓經波形變換電路被轉換成周期為20ms的單極性“倒置全波整流”信號，再送到模擬開關1的輸入端，經過模擬開關2后產生一串電網電壓同步跟蹤信號。由于變頻器的輸出信號是周期為20ms的同步捕捉信號，因此加在多諧振蕩器控制端上的電網同步跟蹤信號可對高頻振蕩器的高頻輸出脈沖進行相位調整，以確保正弦波發生器輸出50Hz的基準正弦波。經過鎖相同步電路，即“鎖相環”，該正弦波總是與電網電壓處于同頻同相的同步跟蹤狀態。當供電異常時，則由多諧振蕩器產生本振頻率為20kHz的信號，經分頻器輸出500Hz的脈沖序列，然后經正弦波發生器產生穩頻的50Hz標準正弦波。

　　圖2：帶輸出變壓器的在線式UPS電源鎖相控制原理圖

　　傳統的正弦波信號發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缺點：

　　受電壓和溫度的影響大，輸出信號的頻率和幅度穩定性差，很難達到作為交流基準的要求；而且完全用模擬器件使得控制電路結構相當復雜，不便于生產，難以調試。

　　4.2 在線式UPS的數字鎖相控制技術

　　在線式UPS的數字鎖相控制技術中采用微處理器作為核心控制芯片，并采用軟件實現相位鎖存的方法，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，過零比較器，低通濾波器，反相器，模擬切換開關及微處理器。其電路組成框圖見圖3.

　　圖3：在線式UPS數字鎖相控制電路組成框圖

　　該電路工作原理為：電網交流電壓經過電壓互感器隔離降壓成為與電網電壓同頻同相的低壓交流信號，一路經過精密整流電路成為正極性的半波直流電壓信號，通過微處理器內部的A/D轉換器，測得電壓的幅值；另一路經過電壓過零比較器輸出交流信號的正負極性，經過I/O口進入單片機，這樣就可測得外部交流電壓的實時波形數據，在將采集的波形數字序列經過D/A轉換，即可以輸出正弦波。由于電網電壓中含有大量諧波成分，經電壓互感器采集的交流電壓信號并不是純凈的正弦波，所以采用直接輸出方式產生的波形并不是穩定純凈的正弦波。

　　因此，在PWM輸出后加入數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定性和純凈度。

　　其具體實現過程是：首先，用數字序列調制單片機內部的PWM脈寬調制電路，使之產生的脈沖方波寬度正比于信號幅度，如果微處理器采用20MHz晶振，PWM輸出為8位分辨率時，輸出方波的最高頻率為78KHz，所以在PWM輸出端加一個積分常數很小的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。該信號一路直接送到模擬開關，另一路送到反相電路成為負極性的半波電壓信號，再送到模擬開關，這正負極性兩路電壓信號經過單片機控制的模擬開關切換，就輸出與外部電網相位同步的正弦波信號。當電網出現故障時，微處理器將讀取其存儲器中儲存的標準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

　　隨著微電子技術的發展，出現了許多性價比高的用于電機控制的專用微處理器，微處理器內部集成了PWM波產生電路，可以通過軟件編程來改變PWM波輸出頻率。UPS中的軟件鎖相控制就是基于此類微處理器，以程序計算方式來實現。其軟件實現的方式有兩種。一種是需要對市電電壓和逆變輸出電壓兩路信號進行濾波整形，變換為與其同頻率的方波信號，通過微處理器的捕獲引腳捕獲方波上升沿的跳變，由捕獲值來計算頻率及相位差，以此調整輸出SPWM波的頻率，使得兩路信號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。另一種方法只需對市電電壓進行方波變換，在對市電變換方波的捕獲中斷中，通過判斷SPWM輸出波的相位相對于市電相位的超前或滯后，通過改變SPWM定時器周期值來調整SPWM波下周期的輸出頻率，從而實現頻率跟蹤。

　　圖4：軟件鎖相同步控制

　　兩種方法的共同之處是：都事先設定電網電壓頻率為50Hz，根據SPWM載波頻率將每個電壓周期分為N等份（當載波頻率為78KHz時，N=150），將對應時刻的正弦值制作成表存在微處理器的存儲器中，保持每SPWM周期輸出序列個數N值不變，調整載波頻率實現對輸出電壓頻率的調整；它們的實現過程都依賴于兩個中斷，一個是SPWM載波周期定時器中斷，一個是捕獲中斷（可通過設置捕獲中斷方式使得捕獲中斷發生在正弦波周期的零相位時刻）。

　　由于兩種方法都是通過調整SPWM頻率實現逆變輸出對市電電壓的鎖相，穩態時其跟蹤精度較高，但動態性能不好，鎖相環啟動時的跟蹤調整速度較慢，因此同步響應速度有待提高，且需進一步增強同步的抗干擾和容錯能力。

　　5.結論

　　本文所研究的基于TMS320LF2407數字化控制平臺的UPS的軟件鎖相技術，鎖相精度高，易于實現，可以很好地滿足不間斷電源的鎖相技術要求。