基于DSP的數(shù)字鎖相環(huán)的設計

賀道坤， 許 煒， 王 薇

（1.南京信息職業(yè)技術學院，江蘇南京210046;2.澳門大學，澳門特別行政區(qū)999078;3.吉林大學，吉林 長春 130012）

0 引言

交流電源的供電方式經(jīng)由集中式供電向分布式供電的方向發(fā)展，分布式供電的主要技術難點就是模塊化電源的并聯(lián)。相對于單個逆變電源供電，采用多個逆變電源模塊并聯(lián)供電有許多優(yōu)點，最顯著的就是提高了供電系統(tǒng)的穩(wěn)定冗余供電。

目前電源并聯(lián)技術廣泛采用的控制方法主要有［1］：集中控制、主從控制、分散邏輯控制和無互聯(lián)線并聯(lián)控制。在這四種主要的控制方法中，無互聯(lián)線并聯(lián)控制是一種較為理想的控制方案。無互聯(lián)線逆變并聯(lián)采用電壓幅值和頻率下垂的控制，其控制的前提是保證各逆變電源模塊之間的頻率、相位和幅值保持基本相同，否則逆變電源之間會因相位幅值相差較大產(chǎn)生過大的環(huán)流，導致并聯(lián)失敗。由于逆變電源并聯(lián)的初始頻率和相位就是通過鎖相環(huán)實現(xiàn)的，故鎖相環(huán)的好壞直接影響到逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)的性能。鎖相環(huán)的發(fā)展經(jīng)歷了模擬鎖相環(huán)和數(shù)字鎖相環(huán)。模擬鎖相環(huán)都是以硬件方式實現(xiàn)鎖相功能的，有著較為復雜的硬件電路，且有一些難以解決的問題，如直流零點漂移、必須初始校準、器件飽和等。與模擬鎖相環(huán)相比，數(shù)字鎖相環(huán)有很多優(yōu)點：精度高、收斂速度快、容易與控制方法結合。以此，對數(shù)字鎖相環(huán)控制方法和建模研究已經(jīng)成為學術界的研究熱點。本文采用電機專用控制數(shù)字信號處理器TMS320LF2407A設計數(shù)字鎖相環(huán)，實現(xiàn)對逆變電源無互聯(lián)線并聯(lián)的鎖相控制［2-3］。

1 傳統(tǒng)并聯(lián)系統(tǒng)鎖相環(huán)

圖1所示為無互聯(lián)線逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)。逆變電源1和逆變電源2分別通過開關S1和S2連接到交流母線上，ZL為等效負載。S1、S2表示鎖相環(huán)控制的逆變電源并聯(lián)運行開關。當一臺逆變電源需要并聯(lián)接入系統(tǒng)時，首先檢測交流母線上的電壓，若交流母線沒有電壓存在，則逆變電源直接閉合開關S1工作;若交流母線有電壓，則鎖相環(huán)工作，使逆變電源向交流母線鎖相，鎖相完成后閉合開關使逆變電源并入系統(tǒng)運行，鎖相環(huán)退出工作。

圖1 逆變電源并聯(lián)框圖

圖2所示為鎖相環(huán)的基本結構。由鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控震蕩器和分頻器組成。其基本的工作原理是鑒相器檢測交流母線上的電壓和單臺逆變器輸出電壓的相位差，輸出與相位差成比例的電壓信號，經(jīng)過低通環(huán)路濾波器后輸出的電壓信號去控制壓控振蕩器，從而控制改變系統(tǒng)內(nèi)部的同步信號的頻率和相位，使逆變電源與交流母線上的電壓抑制［4］。壓控振蕩器實際的應用就是逆變電源的逆變橋部分。

圖2 鎖相環(huán)控制框圖

2 數(shù)字鎖相環(huán)

2.1 鎖相的基本原理

在逆變電源并聯(lián)的數(shù)字化控制中將傳統(tǒng)的模擬鎖相環(huán)改為數(shù)字鎖相環(huán)（DPLL），其控制框圖見圖3。

圖3 數(shù)字鎖相環(huán)控制框圖

在圖3所示的DPLL中只有鑒相器和壓控振蕩器兩個環(huán)節(jié)，其中模擬鎖相環(huán)的環(huán)路濾波器，只要通過圖所示的比例和比例積分計算就可得到與相位差成比例的電壓信號。限幅環(huán)節(jié)的作用就是為了避免相位跟蹤過程中輸出電壓頻率波動范圍過大所加入的。

逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)中單臺電源的輸出電壓應在48～52 Hz連續(xù)可調，而要并入系統(tǒng)的電源模塊的頻率和交流母線的頻率很可能不一致，因此任一逆變電源在并機之前都要對母線電壓進行相位和頻率的跟蹤;而并入系統(tǒng)的逆變電源相位同步的前提是頻率必須相等。因此DPLL的設計是先調整頻率一致，再調整相位，最終實現(xiàn)鎖相和并聯(lián)［5-6］。圖4為鎖相環(huán)的傳遞函數(shù)模型。

圖4 鎖相環(huán)的傳遞函數(shù)模型

在逆變電源并聯(lián)中，改變逆變電源輸出電壓的相位跟蹤交流母線的相位是很困難的，一般是通過調節(jié)逆變器的頻率達到跟蹤母線相位的目的，所以在此逆變器等效為純積分環(huán)節(jié)。由圖4的環(huán)路模型得閉環(huán)傳遞函數(shù)：

式中：Kp為比例增益;τ為積分時間常數(shù)。

2.2 硬件設計

設計采用定點DSP控制器TMS320LF2407A，器件采用高性能的靜態(tài)CMOS技術，降低供電電壓，減小控制器的損耗;指令周期縮短到25 ns，控制器實時控制能力較好;它集成了2.5 K的RAM、最小500 ns的轉換時間和32 K字的閃存。片內(nèi)的兩個事件管理器，EVA用以實現(xiàn)逆變器的控制，EVB用來實現(xiàn)鎖相環(huán)的相位檢測。對整個逆變電源的并聯(lián)系統(tǒng)，鎖相環(huán)的輸入是逆變電源輸出電壓、電流與交流母線的相位差，輸出是參考正弦階梯波，控制圖示逆變電源開關［7］，結構圖如圖5所示。

為減小逆變電源跟蹤交流母線電壓的相位差，環(huán)路濾波器采用PI調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：

圖5 數(shù)字鎖相環(huán)電路實現(xiàn)的原理圖

EVB模塊的捕獲單元CAP4和CAP5口分別對交流母線電壓和逆變電源輸出電壓進行檢測，得出逆變電源輸出電壓和交流母線的頻率和相位差，然后根據(jù)相位差值求得下一工頻周期中計時器的周期值，據(jù)此來改變逆變電源的輸出頻率來間接控制相位的跟隨，在圖5中所示過零比較單元，實現(xiàn)電路見圖6。

圖6 過零比較電路的實現(xiàn)

逆變電源輸出的電壓波形總有一定程度的畸變，電路的各種干擾信號使電壓的相位檢測精度有很大的誤差［8-9］。在圖6中電容C可以防止波形畸變誤觸發(fā)CAP口，也可以防止信號干擾，電容值的大小要影響比較器輸出信號的變化時間，因此會使捕獲口的捕獲精度存在一定的誤差［10-12］。在比較器后加一施密特反相器對其進行整形，由實驗可見能達到滿意的效果。由于過零檢測電路不能在零點精確產(chǎn)生上升沿信號，總有一定的滯后，由于母線電壓和交流母線電壓采用相同的檢測電路，產(chǎn)生一樣的相移，對精度無影響。

2.3 數(shù)字鎖相環(huán)的鎖相實現(xiàn)

圖7所示為逆變電源的鎖相基本示意圖。DSP初始化設定CAP4和CAP5為捕獲功能口，內(nèi)部計數(shù)器T3作為這兩個口的時基，并定義捕獲口上升沿觸發(fā)，設定T3為 CPU時鐘頻率的1/32，為1.25 MHz，相位的檢測精度為0.057 6°。圖7中鎖相環(huán)時間T3隨交流母線電壓信號的同步計數(shù)。在t1時刻檢測到交流母線上升沿跳變，此時將T3清零并開始計數(shù);在t2時刻檢測到逆變電源輸出電壓的上升沿跳變此時把T3的計數(shù)值送入捕獲口對應的寄存器cc4中，在t5時刻檢測到交流母線電壓的上升沿跳變，此時把計數(shù)器T3對應的值送入到捕獲口CAP5對應的捕獲堆棧寄存器

圖7 數(shù)字鎖相環(huán)實現(xiàn)的鎖相原理

在設計時逆變電源的頻率是通過改變定時器T1的周期來實現(xiàn)的，而逆變器的PWM調制波與定時器的周期值也有關，所以為了實現(xiàn)相位的快速跟隨，又不影響逆變器的輸出性能，盡量保證逆變器的輸出頻率在48～52 Hz，以保證逆變器的輸出特性良好。根據(jù)θ值的大小對應逆變器的輸出的下一周期的頻率應滿足一定的規(guī)律。計算的θ在180°～0.5°則認為逆變電源的輸出電壓相位超前交流母線電壓;若計算得θ值在359.5°～180°則認為逆變電源輸出電壓的相位差滯后交流母線的電壓相位;若算得θ的絕對值小于0.5°則逆變電源可安全投入交流母線運行［15］。

圖8所示為鎖相環(huán)程序流程圖。在本設計所做的無互聯(lián)線逆變電源并聯(lián)的鎖相環(huán)完成鎖相任務后，退出系統(tǒng)，之后的相位調節(jié)靠功率下垂的特性來進行調節(jié)，因此在系統(tǒng)中鎖相環(huán)所占用的資源有限。cc5中［13-14］。

交流母線電壓的相位差與逆變電源輸出電壓的相位差角度為

圖8 逆變電源的鎖相程序流程圖

3 仿真及實驗結果

基于以上的分析與設計，首先基于Matlab環(huán)境下的Simulink仿真環(huán)境對鎖相環(huán)進行了仿真［4］，額定交流輸入電壓設定為200 V，額定交流輸出電壓為200 V，系統(tǒng)采樣頻率設定為20 kHz，仿真結果如圖9（a）所示，在仿真時，為清晰觀察逆變電源的鎖相功能，特把逆變電源1的輸出電壓縮小了50%，在圖中可見逆變電源輸出電壓很好地跟蹤交流母線電壓相位。由上述仿真的思想，設計了簡易的由TMS320LF2407A控制的逆變電源，鎖相的實現(xiàn)由2.2節(jié)和2.3節(jié)所述的基本原理實現(xiàn)，實驗結果見圖9（b），由圖可見逆變電源輸出電壓已經(jīng)跟蹤了交流母線電壓，波形運行穩(wěn)定后，待相位差小于一定值后發(fā)出并聯(lián)信號，屏蔽掉捕獲中斷程序，之后接通并聯(lián)運行的開關，實現(xiàn)系統(tǒng)的并聯(lián)，鎖相環(huán)退出，完成鎖相［16］。

圖9 仿真及實驗結果

4 結語

設計了基于DSP/TMS320LF2407A的數(shù)字鎖相環(huán)，用于無互聯(lián)線逆變電源并聯(lián)的鎖相，實驗結果證明了該設計方案能夠可靠地完成逆變電源電壓與交流母線電壓的相位跟蹤，保證逆變電源并聯(lián)時相位的精度。數(shù)字鎖相環(huán)的精度越來越高，受其它信號的影響較模擬信號小，可解決過零檢測鑒相存在的問題，有很好的實際應用價值。

（References）：

［1］ Guerrero J.M.，de Vicuna L.G.，Miret J.，et al.A wireless controller to enhance dynamic performance of parallel inverters in distributed generation systems［J］.IEEE Trans Power Electronics，2004，19（5）：1205-1213.

［2］ William C Lindsey，Chak Ming Chie.A survey of digital phaselocked lops［J］.Proceedings of the IEEE，1981，69（4）：410-431.

［3］ Shayan Y R，Le-Ngoc T.All digital phase-locked loop：concepts，design and application［J］.IEE Proceedings，1989，136（1）：53-56.

［4］ 段善旭，熊 健，康 勇，等.一種UPS的數(shù)字化鎖相及旁路檢測和切換控制技術［J］.電工電能新技術，2004，23（1）：7-10.

［5］ 皮大能，馬學軍，南光群.基于DSP的高精度鎖相技術［J］.電力電子技術，2005，39（10）：109-111.

［6］ 王照峰，王仕成，蘇得倫.鎖相環(huán)電路的基本概念及應用研究［J］.電氣應用，2005，24（8）：46-48.

［7］ 安小丹，梁 暉.基于TMS320LF2407A的軟件鎖相環(huán)的設計與實現(xiàn)［J］.電氣傳動，2009，39（1）：44-47.

［8］ 林 飛，杜 欣.電力電子應用技術的MATLAB仿真［M］.北京：中國電力出版社，2009.

［9］ 孔雪娟，王荊江，彭 力，等.采用 SVPWM的三相逆變電源的分散邏輯并聯(lián)運行［J］.中國電機工程學報，2003，23（6）：81-86.

［10］ 龐 浩，俎云霄，王贊基.一種新型的全數(shù)字鎖相環(huán)［J］.中國電機工程學報，2003，23（2）：37-41.

［11］ 周衛(wèi)平，吳正國，夏 立.基波相位和頻率的高精度檢測及在有源電力濾波器中的應用［J］.中國電機工程學報，2004，24（4）：91-96.

［12］ 王新勇，許 煒，汪顯博.光伏并網(wǎng)逆變器固定開關頻率控制策略研究［J］.電源技術，2011，35（4）：443-448.

［13］ 何中一，邢 巖.逆變器數(shù)字化控制關鍵技術［J］.南京航空航天大學學報，2006，38（3）：271-275.

［14］ 王新勇，許 煒.三相光伏并網(wǎng)逆變器定頻控制算法的研究與實現(xiàn)［J］.實驗室研究與探索，2011，30（1）：36-40.

［15］ 郝媚美，鄭應文.基于鎖相環(huán)的單片機控制可控硅整流觸發(fā)器［J］.東南大學學報（自然科學版），2003，33：147-149.

［16］ 王福昌，魯昆生.鎖相技術［M］.武漢：華中理工大學出版社，1997.