在线式UPS软件锁相

1引言

为保证无环流切换，不仅在控制上要保证市电旁路电压和UPS逆变器输出电压同频率同幅值，而且还要保证两电压的瞬时值相同，即同相位。数字锁相环，即软件锁相的实现是全数字化UPS实现的难点之一。

2软件锁相分析

2．1坐标系的的建立

为便于分析，建立以下坐标系：

横轴为频率差，F_D=F_INV－F_LN，以周期差来表示，即单周期内定时器对逆变的计数值－对市电的计数值（这里每1个计数值的时间为50ns×16=0.8μs）；

纵轴为相位差，P_D=P_LN_P_INV，也用定时器的计数值来表示。如图1所示。

2．2第1象限中状况分析

由上述坐标定义，则第1象限所表示的状态如图2所示。

即F_INV>F_LN。

此时如果采用减小逆变频率F_INV的方法调节，则F_D和P_D都会减小，即在坐标系上向原点靠近。满足F_D和P_D同时达到原点的条件为：

F_D＋(F_D－4)＋(F_D－8)＋(F_D－12)...

＋F_D－4(N－1)=P_D

N=F_D/4

注：减小逆变频率F_INV时每周期增加的定时器的计数值（步长）为4。

解方程得：

F_D（F_D＋4）/8=P_D（1）

式（1）在坐标系上的曲线a如图3所示。则有以下结论（结论1）：

采用减小逆变频率F_INV的方法调节时：

曲线a上所有点都会沿着此曲线使F_D和P_D同时到达零点；

曲线a上左边（A1区域）所有点都会当F_D到达零点而P_D>0，走向如曲线b1所示；

图1坐标系

图2第1象限的状态

图3第1象限的曲线

曲线a上右边（A2区域）所有点都会当P_D到达零点而F_D>0。

此时如果采用增加逆变频率F_INV的方法调节，则P_D会减小而F_D会增加。其在坐标系上的走向如图3中曲线b2所示。（结论2）

实际上，并不需要将F_D和P_D都调到零，而是调到一个足够小的目标区域即可。在这里采用先调频后调相的方法，当频率差（F_D）大于15时，不管相差（P_D）如何，直接减小逆变频率F_INV（步长也是4）；当P_D小于62时，则认为相差已经调好，停止调相。所以调相的目标区域为A3[（0，0），（15，62）]，被调节区域为A4[（0，62），（15，P_Dmax）]。如图4所示。

对于A4区域的点，调节方法如下：

当2F_D（F_D＋1）=P_D，采用增加逆变频率F_INV的方式调节；

当2F_D（F_D＋1）>P_D，采用减小逆变频率F_INV的方式调节。

分析此调节过程：

2F_D（F_D＋1）=P_D在坐标系上的曲线为c。

（1）设在R1点开始调节，如图：R1位于c的左边，满足2F_D（F_D＋1）=P_D的条件，因此采用增加逆变频率F_INV的方式调节。由结论（2）得：采用增加逆变频率F_INV的方式调节时，其走向如曲线b2，必然会到R2的位置（c的右边），此时又满足2F_D（F_D＋1）>P_D的条件，采用减小逆变频率F_INV的方式调节，而R2位于结论（1）中A1区域，由结论（1），其走向如b1，必然会回到c的左边，反复以上过程，直到进入调相的目标区域为A3。

（2）设在R11（F_D很小而P_D很大）点开始调节，此时满足2F_D（F_D＋1）=P_D的条件，因此采用增加逆变频率F_INV的方式调节，最多经过4个周期，F_D就会>15，此时不管相差先调频，减小逆变频率F_INV，接着F_D又会15，则增加逆变频率F_INV，如此反复。由结论（1）、结论（2），如图中方向接近R1的位置。

因此，在第1象限的调节过程为：P_D很大（>480）而F_D很小时，先增大F_D到F_D>15，然后沿着F_D=15的直线方向（左右摆动）向下调节；P_D较小（480）时，沿着曲线c的方向（左右摆动）向下调节，直至进入目标区。当F_D>15时，则不管P_D，一直减小逆变频率F_INV，直到A4区域，然后进入目标区或者第4象限中目标区（实际应用中频差F_D很小，一般不会进入到第4象限其它区域）。