基于DSP的数字锁相环的设计

2013-05-16贺道坤

实验室研究与探索 2013年2期

贺道坤，许炜，王薇

（1.南京信息职业技术学院，江苏南京210046;2.澳门大学，澳门特别行政区999078;3.吉林大学，吉林长春 130012）

0 引言

交流电源的供电方式经由集中式供电向分布式供电的方向发展，分布式供电的主要技术难点就是模块化电源的并联。相对于单个逆变电源供电，采用多个逆变电源模块并联供电有许多优点，最显著的就是提高了供电系统的稳定冗余供电。

目前电源并联技术广泛采用的控制方法主要有［1］：集中控制、主从控制、分散逻辑控制和无互联线并联控制。在这四种主要的控制方法中，无互联线并联控制是一种较为理想的控制方案。无互联线逆变并联采用电压幅值和频率下垂的控制，其控制的前提是保证各逆变电源模块之间的频率、相位和幅值保持基本相同，否则逆变电源之间会因相位幅值相差较大产生过大的环流，导致并联失败。由于逆变电源并联的初始频率和相位就是通过锁相环实现的，故锁相环的好坏直接影响到逆变电源并联系统的性能。锁相环的发展经历了模拟锁相环和数字锁相环。模拟锁相环都是以硬件方式实现锁相功能的，有着较为复杂的硬件电路，且有一些难以解决的问题，如直流零点漂移、必须初始校准、器件饱和等。与模拟锁相环相比，数字锁相环有很多优点：精度高、收敛速度快、容易与控制方法结合。以此，对数字锁相环控制方法和建模研究已经成为学术界的研究热点。本文采用电机专用控制数字信号处理器TMS320LF2407A设计数字锁相环，实现对逆变电源无互联线并联的锁相控制［2-3］。

1 传统并联系统锁相环

图1所示为无互联线逆变电源并联系统。逆变电源1和逆变电源2分别通过开关S1和S2连接到交流母线上，ZL为等效负载。S1、S2表示锁相环控制的逆变电源并联运行开关。当一台逆变电源需要并联接入系统时，首先检测交流母线上的电压，若交流母线没有电压存在，则逆变电源直接闭合开关S1工作;若交流母线有电压，则锁相环工作，使逆变电源向交流母线锁相，锁相完成后闭合开关使逆变电源并入系统运行，锁相环退出工作。

图1 逆变电源并联框图

图2所示为锁相环的基本结构。由鉴相器、环路滤波器、压控震荡器和分频器组成。其基本的工作原理是鉴相器检测交流母线上的电压和单台逆变器输出电压的相位差，输出与相位差成比例的电压信号，经过低通环路滤波器后输出的电压信号去控制压控振荡器，从而控制改变系统内部的同步信号的频率和相位，使逆变电源与交流母线上的电压抑制［4］。压控振荡器实际的应用就是逆变电源的逆变桥部分。

图2 锁相环控制框图

2 数字锁相环

2.1 锁相的基本原理

在逆变电源并联的数字化控制中将传统的模拟锁相环改为数字锁相环（DPLL），其控制框图见图3。

图3 数字锁相环控制框图

在图3所示的DPLL中只有鉴相器和压控振荡器两个环节，其中模拟锁相环的环路滤波器，只要通过图所示的比例和比例积分计算就可得到与相位差成比例的电压信号。限幅环节的作用就是为了避免相位跟踪过程中输出电压频率波动范围过大所加入的。

逆变电源并联系统中单台电源的输出电压应在48～52 Hz连续可调，而要并入系统的电源模块的频率和交流母线的频率很可能不一致，因此任一逆变电源在并机之前都要对母线电压进行相位和频率的跟踪;而并入系统的逆变电源相位同步的前提是频率必须相等。因此DPLL的设计是先调整频率一致，再调整相位，最终实现锁相和并联［5-6］。图4为锁相环的传递函数模型。

图4 锁相环的传递函数模型

在逆变电源并联中，改变逆变电源输出电压的相位跟踪交流母线的相位是很困难的，一般是通过调节逆变器的频率达到跟踪母线相位的目的，所以在此逆变器等效为纯积分环节。由图4的环路模型得闭环传递函数：

式中：Kp为比例增益;τ为积分时间常数。

2.2 硬件设计

设计采用定点DSP控制器TMS320LF2407A，器件采用高性能的静态CMOS技术，降低供电电压，减小控制器的损耗;指令周期缩短到25 ns，控制器实时控制能力较好;它集成了2.5 K的RAM、最小500 ns的转换时间和32 K字的闪存。片内的两个事件管理器，EVA用以实现逆变器的控制，EVB用来实现锁相环的相位检测。对整个逆变电源的并联系统，锁相环的输入是逆变电源输出电压、电流与交流母线的相位差，输出是参考正弦阶梯波，控制图示逆变电源开关［7］，结构图如图5所示。

为减小逆变电源跟踪交流母线电压的相位差，环路滤波器采用PI调节器，其传递函数为：

图5 数字锁相环电路实现的原理图

EVB模块的捕获单元CAP4和CAP5口分别对交流母线电压和逆变电源输出电压进行检测，得出逆变电源输出电压和交流母线的频率和相位差，然后根据相位差值求得下一工频周期中计时器的周期值，据此来改变逆变电源的输出频率来间接控制相位的跟随，在图5中所示过零比较单元，实现电路见图6。

图6 过零比较电路的实现

逆变电源输出的电压波形总有一定程度的畸变，电路的各种干扰信号使电压的相位检测精度有很大的误差［8-9］。在图6中电容C可以防止波形畸变误触发CAP口，也可以防止信号干扰，电容值的大小要影响比较器输出信号的变化时间，因此会使捕获口的捕获精度存在一定的误差［10-12］。在比较器后加一施密特反相器对其进行整形，由实验可见能达到满意的效果。由于过零检测电路不能在零点精确产生上升沿信号，总有一定的滞后，由于母线电压和交流母线电压采用相同的检测电路，产生一样的相移，对精度无影响。

2.3 数字锁相环的锁相实现

图7所示为逆变电源的锁相基本示意图。DSP初始化设定CAP4和CAP5为捕获功能口，内部计数器T3作为这两个口的时基，并定义捕获口上升沿触发，设定T3为 CPU时钟频率的1/32，为1.25 MHz，相位的检测精度为0.057 6°。图7中锁相环时间T3随交流母线电压信号的同步计数。在t1时刻检测到交流母线上升沿跳变，此时将T3清零并开始计数;在t2时刻检测到逆变电源输出电压的上升沿跳变此时把T3的计数值送入捕获口对应的寄存器cc4中，在t5时刻检测到交流母线电压的上升沿跳变，此时把计数器T3对应的值送入到捕获口CAP5对应的捕获堆栈寄存器

图7 数字锁相环实现的锁相原理

在设计时逆变电源的频率是通过改变定时器T1的周期来实现的，而逆变器的PWM调制波与定时器的周期值也有关，所以为了实现相位的快速跟随，又不影响逆变器的输出性能，尽量保证逆变器的输出频率在48～52 Hz，以保证逆变器的输出特性良好。根据θ值的大小对应逆变器的输出的下一周期的频率应满足一定的规律。计算的θ在180°～0.5°则认为逆变电源的输出电压相位超前交流母线电压;若计算得θ值在359.5°～180°则认为逆变电源输出电压的相位差滞后交流母线的电压相位;若算得θ的绝对值小于0.5°则逆变电源可安全投入交流母线运行［15］。

图8所示为锁相环程序流程图。在本设计所做的无互联线逆变电源并联的锁相环完成锁相任务后，退出系统，之后的相位调节靠功率下垂的特性来进行调节，因此在系统中锁相环所占用的资源有限。cc5中［13-14］。

交流母线电压的相位差与逆变电源输出电压的相位差角度为

图8 逆变电源的锁相程序流程图

3 仿真及实验结果

基于以上的分析与设计，首先基于Matlab环境下的Simulink仿真环境对锁相环进行了仿真［4］，额定交流输入电压设定为200 V，额定交流输出电压为200 V，系统采样频率设定为20 kHz，仿真结果如图9（a）所示，在仿真时，为清晰观察逆变电源的锁相功能，特把逆变电源1的输出电压缩小了50%，在图中可见逆变电源输出电压很好地跟踪交流母线电压相位。由上述仿真的思想，设计了简易的由TMS320LF2407A控制的逆变电源，锁相的实现由2.2节和2.3节所述的基本原理实现，实验结果见图9（b），由图可见逆变电源输出电压已经跟踪了交流母线电压，波形运行稳定后，待相位差小于一定值后发出并联信号，屏蔽掉捕获中断程序，之后接通并联运行的开关，实现系统的并联，锁相环退出，完成锁相［16］。

图9 仿真及实验结果

4 结语

设计了基于DSP/TMS320LF2407A的数字锁相环，用于无互联线逆变电源并联的锁相，实验结果证明了该设计方案能够可靠地完成逆变电源电压与交流母线电压的相位跟踪，保证逆变电源并联时相位的精度。数字锁相环的精度越来越高，受其它信号的影响较模拟信号小，可解决过零检测鉴相存在的问题，有很好的实际应用价值。

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