基于TMS320F2808的高精度UPS电源锁相技术

      摘要：针对全数字控制的UPS 系统， 结合锁相环原理， 提出了一种基于DSP TMS320F2808 的高精度数字锁相控制方案。建立了数字锁相环的模型， 列出了相应的算法和程序实现流程， 理论上锁相精度可高达0. 144°。在实验板上仿真并最终在实际的UPS 样机上进行了实验， 实验及实际测试结果充分验证了该方案的正确性和可行性。

0  引  言

　　UPS( 不间断电源) 作为后备电源和改善电网质量的一种重要装置， 在工业生产和社会生活中得到广泛应用。U PS 在运行时， 要求其输出电压的频率和相位与市电保持严格的一致， 这样才能在市电发生变化时保证U PS 能向负载提供不间断、稳定的电源， 且不会对负载产生大的冲击。因此， 在UPS 中都必须加入锁相的环节， 传统的锁相采用模拟电路控制， 硬件电路复杂、成本较高， 同时由于器件老化和温飘问题的存在，使得系统可靠性和效率下降， 另外使用模拟技术还存在参数调整麻烦等问题。随着信息技术的发展以及数字信号处理( DSP) 的成熟， UPS 的锁相技术转向数字控制已经成为一种必然， 本文提出了一种基于T I 公司的T MS320F2808 芯片实现高精度锁相控制的方法， 并给出了实验板的仿真结果及实际硬件测试结果，该方法具有简单实用、思路清晰、易于修改、锁相稳定，算法效率高等优点。

　　1  数字锁相环设计

　　1. 1  锁相原理

　　交流电网电压ub和UPS 逆变输出的电压ui 分别为:

式中， Ubmax 与Uimax 分别为电网电压幅值和逆变输出电压幅值; f1 与f2 分别为电网电压和UPS 逆变输出电压的频率;  表示u i 超前或滞后ub的相位角。由ui 和ub的表达式可知， 要实现锁相， 必须满足:

 
即:

　　因此， ui 和ub的同频同相可通过对f 2 进行调节来实现。当逆变输出电压超前市电电压时， 则要求逆变输出电压的频率f 2减小; 而当逆变电压滞后市电电压时， 则要求逆变输出电压的频率f 2增大。这样经过几个周期的调节之后， 便能实现逆变输出和电网电压的同频同相 ， 如图1 所示。

                                                         图1  数字锁相原理

　　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。