基于異步變頻調(diào)制算法的UPS數(shù)字輸出鎖相技術(shù)*

劉章龍　趙徐成　許　華　楊　陽(yáng)

(1.空軍勤務(wù)學(xué)院航空四站系　徐州　221000)(2.空軍濟(jì)南四站廠　濟(jì)南　250000)

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基于異步變頻調(diào)制算法的UPS數(shù)字輸出鎖相技術(shù)*

劉章龍1趙徐成1許華2楊陽(yáng)1

(1.空軍勤務(wù)學(xué)院航空四站系徐州221000)(2.空軍濟(jì)南四站廠濟(jì)南250000)

為了提高UPS系統(tǒng)中逆變與市電鎖相輸出的效率和穩(wěn)定性,減少UPS逆變/市電輸出切換對(duì)系統(tǒng)和負(fù)載用電設(shè)備的沖擊、加快切換速度。提出了針對(duì)變頻器應(yīng)用的異步調(diào)制數(shù)字變頻算法,設(shè)計(jì)了基于DSP的數(shù)字化逆變鎖相控制算法。實(shí)現(xiàn)了基于異步變頻調(diào)制算法的UPS數(shù)字逆變鎖相技術(shù)。設(shè)計(jì)了逆變/市電鎖相控制驗(yàn)證程序,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)的UPS數(shù)字逆變鎖相技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高效、可靠、高精度的鎖相,逆變脈寬波形輸出穩(wěn)定。

異步變頻調(diào)制;不間斷電源;鎖相技術(shù);數(shù)字信號(hào)處

Class NumberTN79

1　引言

逆變電源在實(shí)現(xiàn)應(yīng)用中要求具有市電與逆變能進(jìn)行鎖相輸出的能力。在UPS的典型應(yīng)用中,為了提高UPS系統(tǒng)中逆變與市電鎖相輸出的效率和穩(wěn)定性,減少UPS逆變/市電輸出切換對(duì)系統(tǒng)和負(fù)載用電設(shè)備的沖擊、加快切換速度,UPS系統(tǒng)都必須提供逆變與市電鎖相輸出的能力。傳統(tǒng)的模擬控制都是通過(guò)鎖相環(huán)(PLL)來(lái)實(shí)現(xiàn)逆變與市電鎖相輸出[1]的目的的,隨著數(shù)字逆變控制策略與方法的不斷發(fā)展,使得數(shù)字逆變鎖相技術(shù)有多種形式。與其它基于DSP的數(shù)字化逆變鎖相控制算法[2]不同,本文介紹了一種數(shù)字異步變頻調(diào)制算法,在此基礎(chǔ)上對(duì)逆變輸出進(jìn)行變頻、移相控制,提出了一種新型UPS數(shù)字逆變鎖相技術(shù)。相對(duì)于其它的數(shù)字鎖相算法,該算法具有鎖相高效、可靠、算法精度高、輸出波形穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

2　字逆變異步變頻調(diào)制算法

脈寬調(diào)制技術(shù)中,采用同步調(diào)制可確保波形嚴(yán)格對(duì)稱,輸出波形中不存在偶次諧波,只存在奇次諧波。但當(dāng)輸出信號(hào)頻率fr發(fā)生變化時(shí),在同頻調(diào)制下則需要使載波信號(hào)頻率fc成正比同步變化以保持載波比N(fc/fr)恒定。但在實(shí)際應(yīng)用中受定點(diǎn)微處理器最小頻率分辨的限制,fc發(fā)生連續(xù)變化時(shí),變頻調(diào)速完全同步調(diào)制不可能實(shí)現(xiàn)。異步調(diào)制雖然輸出諧波含量大于同步調(diào)制,但在變頻調(diào)頻應(yīng)用時(shí),當(dāng)fr發(fā)生變化時(shí),fc可保持不變,所以異步調(diào)制算法更簡(jiǎn)單、效率更高。而且當(dāng)載波比N大于一定的數(shù)值時(shí),由于輸出脈沖不對(duì)稱性影響的變小,此時(shí)異步調(diào)制輸出波形與同步調(diào)制相同[3]。基于上述原因,提出基于DSP實(shí)現(xiàn)的數(shù)字逆變異步變頻調(diào)制算法。

2.1算法的推導(dǎo)

單極性正弦脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)示意圖,如圖1所示。其中載波頻率為fc,調(diào)制信號(hào)頻率為fr,載波比N=fc/fr。由于是異步調(diào)制,可將fc定為常數(shù)(即不隨fr的變化而變化),因此可將fc作為逆變控制系統(tǒng)的采樣頻率fs,即fs=fc[4]。

圖1　單極性SPWM示意圖

以采樣頻率fc離散化調(diào)制信號(hào)可得:

可知進(jìn)行至第k步時(shí),調(diào)制信號(hào)的正弦相位Φ(k)=2π(fr/fc)k。

圖2　n位相位指針示意圖

為了能以指令的方式表達(dá)相位Φ(k),因此建立一個(gè)n位相位指針I(yè)ndex,調(diào)制信號(hào)的正弦相位指針I(yè)ndex在每個(gè)采樣周期的增量為一個(gè)單位的步進(jìn)值Step,如圖2所示,指針的相位分辨率為2π/2n,再建立一個(gè)大小為2m(m≤n)的正弦表(相位分辨率為2π/2m)來(lái)進(jìn)一步離散化Φ(k),即可得第k步調(diào)制信號(hào)的正弦值在正弦表中的指針值為

2.2DSP算法實(shí)現(xiàn)

在50Hz市電工作狀態(tài)下,以32位定點(diǎn)DSP微控制器作為算法的實(shí)現(xiàn)對(duì)象,算法各參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　DSP算法程序參數(shù)表

該異步逆變變頻調(diào)制算法結(jié)合一些智能控制算法[5]即可很方便地應(yīng)用于UPS輸出數(shù)字鎖相控制中。

3　基于異步變頻調(diào)制算法UPS輸出數(shù)字鎖相技術(shù)

根據(jù)上節(jié)推導(dǎo)的數(shù)字逆變異步變頻調(diào)制算法,提出以DSP微控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)的新型UPS輸出數(shù)字鎖相控制技術(shù)。采用TI公司最新的TM320F2812 DSP微控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)該技術(shù),控制器有32位定點(diǎn),因此相位指針需取32位無(wú)符號(hào)整型變量[6],其相位分辨率為

2π/232=1.5×10-9rad

該相位精度可完全滿足正弦逆變鎖相控制算法。對(duì)于不間斷電源(UPS),要做到逆變/市電鎖相輸出,則要求逆變電源的輸出頻率與市電同相,使正弦逆變電源與市電同頻同相輸出。由2.1節(jié)中算法的推導(dǎo)過(guò)程可知,在采用異步變頻調(diào)制算法進(jìn)行逆變/鎖市電相輸出控制時(shí),算法中的步進(jìn)值Step決定了逆變輸出的頻率,變量指針I(yè)ndex即決定了當(dāng)前逆變輸出的相位。此時(shí),取定時(shí)器T2(頻率為2.5MHz)為捕獲時(shí)基,利用DSP微控制器的兩個(gè)捕獲端口對(duì)市電與逆變輸出的過(guò)零點(diǎn)進(jìn)行相位捕獲,得到市電的頻率[7]。根據(jù)相位捕獲所得的市電頻率,通過(guò)逆變異步市制的步進(jìn)值Step與市電電壓頻率f市電和調(diào)制載波頻率fs關(guān)系式[8]即可算得步進(jìn)值Step,實(shí)現(xiàn)逆變與市電的同頻輸出,關(guān)系式為

Step=232×(f市電/fs)

捕獲逆變過(guò)零點(diǎn)的同時(shí)記錄下當(dāng)前逆變PWM周期的相位指針I(yè)ndex值,以確定系統(tǒng)輸出的相位滯后情況。在市電過(guò)零相位值捕獲中,增減Index的值使得其向逆變過(guò)零相位值趨近[9],實(shí)現(xiàn)市電與逆變同相輸出。

UPS逆變/市電鎖相控制框圖如圖3所示,DSP的市電、逆變過(guò)零捕獲程序流程圖如圖4所示。

圖3　UPS逆變/市電鎖相控制框

4　實(shí)驗(yàn)

根據(jù)本控制技術(shù),設(shè)計(jì)了一個(gè)單相交流110V(即逆變輸出電壓為110V,市電輸入電壓為220V)的閉環(huán)輸出逆變程序進(jìn)行數(shù)字逆變鎖相控制程序驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),得出了技術(shù)實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)波形圖[10]。

市電、逆變電壓的過(guò)零檢測(cè)實(shí)驗(yàn)波形如圖5所示。Ch1、Ch2波形分別為市電輸入電壓波形和過(guò)零檢測(cè)輸出波形。該檢測(cè)輸出脈沖送入DSP進(jìn)行過(guò)零相位捕獲。

圖4　DSP逆變、市電過(guò)零捕獲程序流程圖

圖5　市電、逆變電壓過(guò)零檢測(cè)圖

逆變輸出鎖相跟蹤市電實(shí)驗(yàn)的過(guò)程動(dòng)態(tài)波形如圖6所示。Ch1、Ch2分別為市電輸入電壓波形和逆變輸出電壓波形。受UPS的緩起動(dòng)特性影響,實(shí)驗(yàn)中Ch2的電壓按照一定速率是從0V緩慢增加至110V輸出[11]。

鎖相穩(wěn)定后的市電、逆變電壓波形如圖7所示。Ch1、Ch2分別為市電輸入電壓波形和逆變輸出電壓波形。由相位檢測(cè)值[12]可知,本次實(shí)驗(yàn)中市電與逆變相位差不到0.8°。而且,在隨后的幾次試驗(yàn)中二者的相差比這個(gè)值還要小。

圖6　逆變鎖相跟蹤市電過(guò)程波形圖

圖7　鎖相穩(wěn)定后的市電、逆變電壓波形圖

5　結(jié)語(yǔ)

本文提出并推導(dǎo)了一種數(shù)字異步變頻調(diào)制算法,通過(guò)算法對(duì)UPS系統(tǒng)逆變輸出進(jìn)行變頻/移相控制,在此基礎(chǔ)上提出的一種新型UPS數(shù)字逆變/市電鎖相技術(shù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明,提出的新型UPS數(shù)字逆變鎖相技術(shù)控制算法簡(jiǎn)單,精簡(jiǎn)了UPS整體系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì),可以實(shí)現(xiàn)高效、可靠、高精度的鎖相,逆變脈寬波形輸出穩(wěn)定。該技術(shù)對(duì)解決UPS逆變/市電鎖相輸出控制具有重要意義。

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Digital Output Phase Locked Technology for UPS Based on Asynchronous Frequency Conversion Modulation Algorithm

LIU Zhanglong1ZHAO Xucheng1XU Hua2YANG Yang1

(1. Department of Aviation Four Stations, Air Force Logistics College, Xuzhou221000) (2. Manufactory of Sizhan, Jinan Air Force, Jinan250000)

In order to improve the efficiency and stability of inverter power and AC phase locked output in UPS system and reduce the impact of inverter/AC output switching on UPS system and load, and speed up the switching speed. An asynchronous modulation digital frequency conversion algorithm for frequency converter is proposed and a digital inverter phase locked control algorithm based on DSP is designed. A new digital inverter phase locked technology for UPS based on asynchronous frequency conversion modulation algorithm is realized. The experiment result shows that the design of the UPS digital inverter phase locked technology can achieve high efficiency, reliability, high precision of phase locked, and the inverter pulse width output is stable.

asynchronous frequency conversion modulation, UPS, phase locked, DSP

2016年4月11日,

2016年5月12日

劉章龍,男,碩士研究生,研究方向:航空四站保障技術(shù)與信息化。趙徐成,男,教授,研究方向:航空地面電源保障裝備。

TN79

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.10.006