通馋电潦 ２０１０年５月２５日第２７卷第３期 术 Ｍａｙ ２５，２０１０，Ｖｏ１．２７ Ｎｏ．３ Ｔｅｌｅｃｏｍ Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 文章编号：１００９—３６６４（２０１０）０３一（）（）３４—０３ ｊ 薹 一种基于ＴＭＳ３２０Ｆ２８０８的高精度ＵＰＳ电源锁相技术 郑必伟 ，崔福军 ，王武 。 （１．福州大学电气工程与自动化学院，福建福州３５０１０８； ２．漳州科华技术有限责任公司，福建漳州３６３００（）） 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。 关键词：ＵＰＳ；数字锁相；ＤＳＰ；高精度 中图分类号：ＴＮ８６ 文献标识码：Ａ Ａ Ｈｉｇｈ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｐｈａｓｅ—Ｉ ｏｃｋ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ＵＰＳ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＴＭＳ３２０Ｆ２８０８ ＺＨＥＮＧ Ｂｉ ｗｅｉ ，ＣＵＩ Ｆｕ－ｊｕｎ２，ＷＡＮＧ Ｗｕ ’ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｆｕｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｕｚｈｏｕ ３５０１０８，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｚｈａｎｇｚｈｏｕ Ｋｅｈｕａ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．Ｉ ｔｄ．，Ｚｈａｎｇｚｈｏｕ ３６３０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔＯ ｔｈｅ ＰＩ Ｉ ｔｈｅｏｒｙ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｕｔｓ ｆｏｒｗａｒｄ ａ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｄｉｇｉｔａｌ ｐｈａｓｅ－ｌｏｃｋｅｄ ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤＳＰ ＴＭＳ３２０Ｆ２８（）８。ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｐｈａｓｅ－ｌｏｃｋｅｄ ｌｏｏｐ，ｌｉｓｔｓ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｎｄ ｐｒｏｇｒａｍ ｆｌｏｗ ｄｉａｇｒａｍ，ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ＰＩ Ｉ ｃａｎ ｒｅａｃｈ ｕｐ ｔＯ ０．１ ４４。ｉｎ ｔｈｅｏｒｙ．Ｅｍｕｌａｔｉｏｎ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ ｏｎ ｅｘｐｅｒｉ— ｍｅｎｔ ｂｏａｒｄ ａｎｄ，ｕｌｔｉｍａｔｅｌｙ，ａｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｔａｋｅｎ ｉｎ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ＵＰＳ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ．Ｅｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｅｔｕａｌ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｆｕｌｌｙ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ ａｎｄ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＵＰＳ；ｄｉｇｉｔａｌ ｐｈａｓｅｑｏｃｋ；ＤＳＰ；ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ０引 言 ｕＰｓ（不问断电源）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。ｕＰｓ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ｕＰｓ能向负载提供不问断、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ＴＩ公 １数字锁相环设计 １．１锁相原理 交流电网电压 和ＵＰＳ逆变输出的电压Ｕｉ分别 为： “ 一Ｕｂ ｓｉｎ（２丌厂ｌｔ） （１） “ 一Ｕ。 ｓｉｎ（２ｒｒｆ２ｔ± ） （２） 式中，Ｕ 与己， 分别为电网电压幅值和逆变输出电 压幅值；，’ 与 分别为电网电压和ＵＰＳ逆变输出电 压的频率；０表示“ 超前或滞后 的相位角。由 和 的表达式可知，要实现锁相，必须满足： ２ １ｔ一２ ２ｔ ４－０ （３） 即： ｆ１一 ±０／２ｒｅ （４） 司的ＴＭｓ３２０Ｆ２８０８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。 因此 和 的同频同相可通过对 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 减小；而当逆变电压滞后市电电压 时－贝０要求逆变输出电压的频率－厂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［２］，如图１所示。 １．２数字锁相环的模型 收稿日期：２０１０—０１—１２ 作者简介：郑必伟（１９８５－），男，福建福州人，硕士研究生，研究 方向为电力电子仿真与控制技术研究。 崔福军（１９８１一），男，福建漳州人，科华硬件设计工程师。 王武（１９７３一），男，福建福州人，博士，副教授，研究方向为电 力电子系统建模与新型控制技术研究。 锁相环是一个闭环的相位频率控制系统，其输出 必须能实时跟踪输人信号的频率和相位。当锁相环处 于“锁住”状态时，输出信号与输人信号的相位差必须 违镌电潦狻ｊＩ二 ２０１０年５月２５ １３第２７卷第３期 郑必伟等： 一种基于ＴＭＳ３２０Ｆ２８０８的高精度ＵＰＳ电源锁相技术 Ｔｅｌｅｃｏｍ Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏ１ｏｇｙ Ｍａｙ ２５，２０１０，Ｖｏ１．２７ Ｎｏ．３ 图１数字锁相原理 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（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）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Ｌ， Ｕ 经低通滤 波后得到信号己， ，Ｌ， 控制ＶＣＯ改变Ｕ。 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： 。 （ａ）模拟锁相环控框图 （ｂ）数字锁相环控制框图 图２ ＰＬＬ控制框图 数字锁相的控制框图如图２（ｂ）所示。图中（Ｄ 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； ｋ。＋ ／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（ＴＩ）公司生产的高性能３２ 位数字信号处理器ＴＭｓ３２０Ｃ２８ｘ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、３２字节的ＳＲＡＭ、８ Ｋ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ＳＰ— ＷＭ（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 ＩＱＭＡＴＨ库函数来实现 引。 ｅＣＡＰｌ ＴＭＳ３２ＯＦ２８Ｏ８ ｅＰＷＭｌ ｅＰＷＭ２ ｅＰＷＭ３ ｅＰＷＭ４ 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２８（）８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ＳＰＷＭｊ为０时 的定时器计数值ＥＣａｐｌＲｅｇｓ．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 ＥｃａｐＰｈａｓｅｄｅｒｒ，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 Ｄｅｈａ＿ｐｒｄ跟电网电压周期相加限幅后作为新的ＳＰ— ｗＭ载波周期值Ｌ６］。 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ＳＹ— ＳＣＩ ＫＯＵＴ＝１００ ＭＨｚ（１０ ｎｓ），程序中设定定时器的 ・ ・ 通往电．潦梭】｜： ２０１０年５月２５日第２７卷第３期 Ｔｅｌｅｃｏｍ Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｍａｙ ２５，２０１０，Ｖｏ１．２７ Ｎｏ．３ 采用同篙 喜 嘉算步增减计数模式， 基波频率为 （５阱０ Ｈｚ 即周期 ‘２式０ ２实际样机验证 。 一 ” ～ ｍｓ），因而每个正弦周期内最ＩＩ，￣Ｎ差为：４００Ｘ １０×２ 将ＥＣ赋给ＰｅａｐｌＲｅｒｉｏｇｄｓ．ＣＡＰ１ ＜ ｎｅｔ Ｎ， 人二 …一… 一…。Ｉ ——ｒ， ＋ 。滑动滤波得到新的 Ｐｅｒｉｏｄ￣ｎｅｔ值 Ｉ苎皇兰！卜－＿ 产＜ 置锁相完成标志位 清锁相完成标志位 Ｐｈａ９ｅＬｏｃｋ—Ｏｋ＝ｌ ＰｈａｓｅＬｏｃｋ０ｋ＝０ ｌ Ｐｈａ９ｅ＿ｅｒｒ—Ｐｈａｓｅ＿ｅｒ≤ Ｉ Ｐｈａｓｅ ｅｒｒ＝Ｐｅｒｉｏｄ ｎｅｔ－Ｐｈａｓｅ ｅ￣ 置超前滞后标志位 ｆ置超前滞后标志位Ｐｈａｓｅ Ｌａｇ＝Ｏ Ｐｈａｓｅ＿Ｌａｇ＝１ Ｌ 卜 ＳＰＷＭ—ＰＲＤ Ｐｅｒｉｏｄ＿ｎｅｔ＋ Ｄｅｉｔａ ｐｒｄ ● 限幅 ．１清中断标志位Ｉ． Ｊ －Ｉ 开中断 ｒ＿ ～ 图４锁相流程图 ８ ０００ ｎｓ，０．００８／２０×３６０。＝０．１４４。，即锁相精度为： ０．１４４。／３６０。ｘ １００％＝０．０４ 。锁相仿真实验波形 如图５所示。 几 触 几＿ ’哪 ｃｍ￣，ｅｏｖ ｃｍ １∞ 蝴瓢昕 ｃ ，１，２ ｃ州 ０ 挣却巾１７∞ ５９．８１￣Ｎｚ ｃｍ ∞Ｖ 未 ｍ ｅｍ７ １．２ （ｆ１）仿真波形 （ｂ）锁相展开图 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２８｛）８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。 ・３６・ 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ＵＰＳ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。 （ａ）锁相前市电与逆变器输出电压（ｂ）锁相后市电与逆变器输出电压 图６ ６ ｋＶＡ在线式ＵＰＳ样机实验锁相波形 锁相技术是ＵＰＳ一项非常重要的技术。本文提 出一种基于ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０Ｆ２８０８ＤＳＰ芯片来实 现高精度锁相的方法，该芯片价格便宜、性能优越，仿 真及样机实验充分验证了该方法的正确性和可行性。 另外该方法仅需采集一路的电压信号，也节约了硬件 成本，使实现变得简单，而且锁相稳定、快速。该方案 不仅可以应用于ＵＰＳ中，在其它与锁相相关的设备中 都可以用上，具有极高的实用意义。 参考文献： ［１］罗玛。杨成林，徐德鸿．基于ＤＳＰ的逆变器数字锁相技 术［Ｊ］．电力电子技术，２００５，３９（５）：１０７—１０８． ［２３刘爱忠，刘俊华，肖 岚．数字锁相技术在逆变器并联系 统中的应用ＥＪ］．电力电子技术，２００７，４１（７）：８０—８２． ［３２ Ｒｏｌａｎｄ Ｅ Ｂｅｓｔ．锁相环设计、仿真和应用［Ｍ］．北京：清华 大学出版社，２００４． Ｅ４］曹凤香，罗方，康勇．基于单片机的ＵＰＳ数字化锁相 技术＿Ｊ］．电力电子技术，２００７，４１（６）：８６—８８． ／－５３苏奎峰，蔡昭权，吕 强．ＴＭＳ３２０Ｘ２８１ｘＤＳＰ应用系统设 计［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００８． ［６２蒋燕君，张超，何湘宁．基于ＤＳＰ的光伏并网发电系统 数字锁相技术ｌ＿Ｊ］．电源技术应用，２００７，１０（２）：２９—３２．
