基于TMS320F2808的高精度UPS电源锁相技术
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
1. 4 锁相精度
本方案中SPWM 波的产生采用双极性同步调制技术, 一周期开关点数N = 400, 2808 的工作频率SYSCLKOU T= 100 MHz( 10 ns) , 程序中设定定时器的时钟频率和系统频率一样, 即每10 ns 计1, 计数方式采用同步增减计数模式, 基波频率为50 Hz( 即周期20ms) , 因而每个正弦周期内最小相差为: 400 × 10×2=8 000 ns, 0. 008/ 20 × 360°= 0. 144°, 即锁相精度为:0. 144°/ 360°× 100 % = 0. 04 % 。锁相仿真实验波形如图5 所示。
图5 锁相仿真波形图
图5( a) 中CH1 为模拟电网电压过零比较后波形, CH2 为2808 控制板上输出SPWM 波经RC 滤波后得到的正弦波, CH3 为2808 输出的SPWM 波, 图5( b) 为锁相展开图。从图中可以看出, 锁相效果良好。
2 实际样机验证
利用本文中提到的高精度锁相控制方案, 在一台6 kVA 单相在线式UPS 样机上进行的实际实验, 对UPS 的逆变输出与电网电压进行锁相, 试验结果如图6 所示, 其中图6( a) 为锁相前市电与U PS 样机输出电压的波形图, 经锁相后, 市电与UPS 样机的输出电压波形如图6( b) 所示, 由图中可以看出, 锁相后二者波形很好地吻合, 实现了逆变器输出电压与电网电压高精度的同频同相。
图6 6 kVA 在线式UPS样机实验锁相波形
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