基于单片机的UPS数字化锁相技术

为了实现对电网电压、频率和相位的跟踪，可利用一个比较器进行过零检测，以提高抗干扰能力及保证检测的快速性，工程上所用的比较器一般为滞环比较器。图4示出过零检测滞环比较器电路及其输出波形。

为了实现锁相，程序中采用了一个单增模式计数器，计数溢出后自动清零，由单片机的定时器TA来充当。同时设定两个寄存器ophs和kx。当逆变器的输出电压上升沿发生触发中断时，将捕获通道的计数值赋给ophs;同理，当ub中断时，将捕获通道的计数值赋给kx，两值相减即为相位差。

2.3 数字锁相环路传函

在数字锁相控制中，图1的环路滤波器用比例积分环节替代，压控振荡器变成数控振荡器，并通过相位累加器予以实现。改变uoi的相位，以跟踪输入电压的相位是非常困难的，因此在实际中一般通过改变逆变器的 频率来达到跟踪输入电压相位的目的。这里也正是采用这种方法来锁相的，所以逆变器可等效为纯积分环节。

为了保证稳态时逆变器跟踪电网相位的误差为零，环路滤波器采用分段式变PI调节器，PI调节器的传递函数表达式为： (1)

式中Kp,KI——比例环节和积分环节的系数

当采样周期很短时，映射到z域时有： (2)

在数字控制中，由文献[3]可知，数控振荡器的z域传递函数为： (3)

式中ω——输入电压角频率

z-1——延时一个采样周期

——积分环节，相当于模拟锁相环s域的传递函数1/s

T——锁相环的采样周期，T=2π/ω

针对环路各部分环节，系统的闭环传递函数为： (4)

式中K1——比例环节P参数

K2——积分环节I参数

特征方程为：

z2+(K1+K2-2)z+(1-K1)=0(5)

根据离散系统奈奎斯特判据，环路稳定的充分必要条件是闭环传递函数特征方程的特征根全部位于z平面的单位圆内，解得环路的稳定条件为K1> 0;K2>0;2K1+K24。由此可确定P和I的参数值。

2.4 数字锁相程序

程序上安排单片机的两个捕获中断程序及周期中断程序，以完成检测和计算任务。

(1)逆变输出电压捕获中断程序 该程序的任务是实现逆变器的输出电压过零点的检测及时刻的读取。当CAP口捕获到逆变器的输出电压对应的方波上升沿时，进入CAP中断程序，读取TACH1的值，并赋给ophs，它代表了逆变器输出电压的相位值。

(2)旁路电压捕获中断程序 该程序的任务是实现旁路电压过零点的检测及时刻的读取，并且计算相差作为PI调节，得出载波周期的总调节量。当CAP口捕获到旁路电压对应的方波上升沿时，进入CAP中断程序，读取TACH0的值，并赋给Kx，它代表了旁路电压的相位值。

相位差的计算公式为Phasemin=kx-ophs。当相位差寄存器Phasemin超出锁相误差允许范围时，通过数字PI调节器进行闭环控制，在此采用分段式变PI调节器得出锁相调节量。