基于TMS320F2808的高精度UPS电源锁相技术

　　1. 2 数字锁相环的模型

　　锁相环是一个闭环的相位频率控制系统， 其输出必须能实时跟踪输入信号的频率和相位。当锁相环处于! 锁住?状态时， 输出信号与输入信号的相位差必须为零或保持不变。如果产生一个相位差， 控制方法将对振荡器起作用， 使得相位差降至最小。这样一个系统中， 输出信号的相位就被锁定到参考信号的相位。

　　为了建立数字锁相环的数学模型， 我们先引入模拟的锁相环控制框图如图2( a) 所示。从图可以看出传统的锁相环由鉴相器( Phase Detector ) 、低通滤波器( Low Pass Filter) 及压控振荡器( V oltag e Cont ro llerOscillator) 三部分组成， 其中鉴相器用来对市电和逆变信号进行比较， 得到相位误差信号Up ， Up 经低通滤波后得到信号Ul ， Ul 控制V CO 改变Uou t 的频率和相位， 以达到锁频锁相的目的， 整个环是一个负反馈的过程。

( b) 数字锁相环控制框图

( a) 模拟锁相环控框图

图2 PLL 控制框图

　　数字锁相的控制框图如图2( b) 所示。图中 in为输入市电的相位信息， 作为整个数字锁相环的给定; 而鉴相器PD 的功能则可以通过DSP 的捕获口来实现;kp+ k i/ s 为PI 调节， 可等效为图2( a) 中的环路滤波器LPF; PI 的输出改变载波周期， 从而实现SPWM 波频率的改变。

　　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