高精度数字锁相的控制与实现 - 基于TMS320F2808的高精度UPS电源锁相技术

　　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。