基于TMS320F2808的高精度UPS电源锁相技术

摘要：针对全数字控制的UPS 系统， 结合锁相环原理， 提出了一种基于DSP TMS320F2808 的高精度数字锁相控制方案。建立了数字锁相环的模型， 列出了相应的算法和程序实现流程， 理论上锁相精度可高达0. 144°。在实验板上仿真并最终在实际的UPS 样机上进行了实验， 实验及实际测试结果充分验证了该方案的正确性和可行性。

　　0  引  言

　　UPS( 不间断电源) 作为后备电源和改善电网质量的一种重要装置， 在工业生产和社会生活中得到广泛应用。U PS 在运行时， 要求其输出电压的频率和相位与市电保持严格的一致， 这样才能在市电发生变化时保证U PS 能向负载提供不间断、稳定的电源， 且不会对负载产生大的冲击。因此， 在UPS 中都必须加入锁相的环节， 传统的锁相采用模拟电路控制， 硬件电路复杂、成本较高， 同时由于器件老化和温飘问题的存在，使得系统可靠性和效率下降， 另外使用模拟技术还存在参数调整麻烦等问题。随着信息技术的发展以及数字信号处理( DSP) 的成熟， UPS 的锁相技术转向数字控制已经成为一种必然， 本文提出了一种基于T I 公司的T MS320F2808 芯片实现高精度锁相控制的方法， 并给出了实验板的仿真结果及实际硬件测试结果，该方法具有简单实用、思路清晰、易于修改、锁相稳定，算法效率高等优点。

　　1  数字锁相环设计

　　1. 1  锁相原理

　　交流电网电压ub和UPS 逆变输出的电压ui 分别为:

　　式中， Ubmax 与Uimax 分别为电网电压幅值和逆变输出电压幅值; f1 与f2 分别为电网电压和UPS 逆变输出电压的频率;  表示u i 超前或滞后ub的相位角。由ui 和ub的表达式可知， 要实现锁相， 必须满足:

　　即:

　　因此， ui 和ub的同频同相可通过对f 2 进行调节来实现。当逆变输出电压超前市电电压时， 则要求逆变输出电压的频率f 2减小; 而当逆变电压滞后市电电压时， 则要求逆变输出电压的频率f 2增大。这样经过几个周期的调节之后， 便能实现逆变输出和电网电压的同频同相 ， 如图1 所示。

图1  数字锁相原理

　　1. 2  数字锁相环的模型

　　锁相环是一个闭环的相位频率控制系统， 其输出必须能实时跟踪输入信号的频率和相位。当锁相环处于! 锁住?状态时， 输出信号与输入信号的相位差必须为零或保持不变。如果产生一个相位差， 控制方法将对振荡器起作用， 使得相位差降至最小。这样一个系统中， 输出信号的相位就被锁定到参考信号的相位。

　　为了建立数字锁相环的数学模型， 我们先引入模拟的锁相环控制框图如图2( a) 所示。从图可以看出传统的锁相环由鉴相器( Phase Detector ) 、低通滤波器( Low Pass Filter) 及压控振荡器( V oltag e Cont ro llerOscillator) 三部分组成， 其中鉴相器用来对市电和逆变信号进行比较， 得到相位误差信号Up ， Up 经低通滤波后得到信号Ul ， Ul 控制V CO 改变Uou t 的频率和相位， 以达到锁频锁相的目的， 整个环是一个负反馈的过程。

( b) 数字锁相环控制框图

( a) 模拟锁相环控框图

图2  PLL 控制框图

　　数字锁相的控制框图如图2( b) 所示。图中 in为输入市电的相位信息， 作为整个数字锁相环的给定; 而鉴相器PD 的功能则可以通过DSP 的捕获口来实现;kp+ k i/ s 为PI 调节， 可等效为图2( a) 中的环路滤波器LPF; PI 的输出改变载波周期， 从而实现SPWM 波频率的改变。

　　1. 3  高精度数字锁相的控制与实现

　　该控制方案选用的芯片TMS320F2808 ( 下文简称2808) 是美国德州仪器( T I) 公司生产的高性能32位数字信号处理器T MS320C28x 系列中的一种。

　　2808 的最高运行速度可达到100 MIPS， 可很好地满足各种控制算法、信号处理算法等实时运算的需求。

　　片上集成128 K 字节的FLASH、3 2 字节的SRAM、8K 字节的BOOT ROM 和片上代码保护模块， 分别用来存储用户编制的程序、数据， 并实现系统的不同方式引导。另外2808 还自带增强型捕获单元( eCAP) 、增强型PWM 产生单元( ePWM) 、12 位16 通道快速ADC 单元以及其它的一些通讯模块如SCI、SPI、eCAN 等。2808 价格便宜， 其内核还支持IQ 变换函数库， 使研发人员能方便地使用便宜的定点DSP 来实现浮点运算。

　　基于该芯片实现的高精度锁相控制方案的整体硬件框图如图3 所示， 该方案首先是产生50 Hz 的SPWM( 正弦脉宽调制) 波。SPWM 波的产生采用等效面积法来实现， 一个正弦周期产生的脉冲个数固定( 400) ， 程序中用一变量SPWM _i 来记录当前一个周期内已经产生的脉冲个数。为了提高产生波形的正弦度以及节省运算时间， 提高程序的运行效率， 程序中的乘除运算及余弦的求值均采用28 系列DSP 中含有的IQMAT H 库函数来实现。

图3  锁相方案硬件框图

　　逆变输出完全由软件控制， 从SPWM_i 便可知逆变输出电压的相位信息。因此， 本方案在硬件方面仅需要电网电压的检测电路即可， 包括电网电压经采样变压器降压采样， 再将采样电压送到过零比较器进行过零检测， 得到与电网电压同频同相的方波信号， 然后限压滤波， 最后送给2808 的eCAP1 口。本方案的锁相原理如图1 所示， 鉴相器用2808 的eCAP1 口捕获市电降压过零检测后得到方波的上升沿来实现， 锁相实现流程如图4 所示。从流程图也可以看出， 该方法简单、易于实现。其基本思想是获取SPWM_i 为0 时的定时器计数值ECap1Regs. TSCTR 并存于Phase_er 中， 判断该值是否在锁相的死区范围内， 若在则表示已锁住相， 置锁相完成标志位; 否则计算相位差EcapPhased_err， 根据相位差EcapPhased_err 来进行PI 运算得到此时的SPWM 载波周期修正量Delta_prd。程序中的PI 运算可用增量式PI 算法来实现， 算法简单且易于实现， 将得到的SPWM 载波周期修正量Delta_pr d 跟电网电压周期相加限幅后作为新的SPWM 载波周期值。

图4锁相流程图

　　1. 4  锁相精度

　　本方案中SPWM 波的产生采用双极性同步调制技术， 一周期开关点数N = 400， 2808 的工作频率SYSCLKOU T= 100 MHz( 10 ns) ， 程序中设定定时器的时钟频率和系统频率一样， 即每10 ns 计1， 计数方式采用同步增减计数模式， 基波频率为50 Hz( 即周期20ms) ， 因而每个正弦周期内最小相差为: 400 × 10×2=8 000 ns， 0. 008/ 20 × 360°= 0. 144°， 即锁相精度为:0. 144°/ 360°× 100 % = 0. 04 % 。锁相仿真实验波形如图5 所示。

图5  锁相仿真波形图

　　图5( a) 中CH1 为模拟电网电压过零比较后波形， CH2 为2808 控制板上输出SPWM 波经RC 滤波后得到的正弦波， CH3 为2808 输出的SPWM 波， 图5( b) 为锁相展开图。从图中可以看出， 锁相效果良好。

　　2  实际样机验证

　　利用本文中提到的高精度锁相控制方案， 在一台6 kVA 单相在线式UPS 样机上进行的实际实验， 对UPS 的逆变输出与电网电压进行锁相， 试验结果如图6 所示， 其中图6( a) 为锁相前市电与U PS 样机输出电压的波形图， 经锁相后， 市电与UPS 样机的输出电压波形如图6( b) 所示， 由图中可以看出， 锁相后二者波形很好地吻合， 实现了逆变器输出电压与电网电压高精度的同频同相。

图6  6 kVA 在线式UPS样机实验锁相波形

　　锁相技术是UPS 一项非常重要的技术。本文提出一种基于T I 公司的TMS320F2808DSP 芯片来实现高精度锁相的方法， 该芯片价格便宜、性能优越， 仿真及样机实验充分验证了该方法的正确性和可行性。

　　另外该方法仅需采集一路的电压信号， 也节约了硬件成本， 使实现变得简单， 而且锁相稳定、快速。该方案不仅可以应用于U PS 中， 在其它与锁相相关的设备中都可以用上， 具有极高的实用意义。