基于DSP的数字锁相技术探讨

　　随着信息技术的迅速发展和计算机的日益普及，对电源系统供电质量和可靠性的要求越来越高，不间断电源（UPS）的应用越来越广泛。由于在线式UPS 需要在旁路电源供电与逆变供电之间进行切换，为了实现连续切换，需要通过同步锁相器实现逆变器输出电压与旁路电压同步。相同的道理，锁相同步在多台UPS并机和多台UPS构成冗余系统时也是必需的。UPS的逆变器输出相位可以和市电保持一致，但输出波形的幅度要保持一致则违背了UPS的功能，所以，通常UPS锁相的目标是在保证相位一致的情况下保持幅度近似相等。

　　锁相可分为模拟锁相和数字锁相。与传统的模拟锁相相比，数字锁相不仅可以简化硬件电路降低成本，还解决了模拟电路中器件的老化和温漂等问题，提高了锁相的。本文讨论基于DSP的数字锁相技术。

　　1 数字锁相的算法

　　实现相位跟踪的办法很多，一种方法是用市电电压作为同步信号，这种方法实现比较简单，可以在极短的时间内锁定相位，但由于市电电压不是标准的正弦波。将会使频率发生偏差。常用的锁相方式是将相位差转变为电压，再用这个电压去控制一个压控振荡器来实现的。模拟锁相（APLL）和数字锁相（DPLL）的基本结构是类似的，包括鉴相器（PD）、低通滤波器、压控／数控振荡器（VCO／DC0）和分频器4个部分，如图1所示。数字锁相的实现有很多种方法，比如单周期数字PLL的控制等。

　　对于UPS来说，基本的锁相电路可以得到一个与输入电压相位频率一致的信号真φo，然后以信号φo去调节逆变器的参考正弦波电压信号。其结果是，输出电压可以和输入电压保持频率一致，但有一个固定的相位差。这是因为受逆变器采样环节、校正环节、输出滤波器及负载等很多因素的影响所致。本文所采用的PLL的结构如图2中虚线框内所示，输入相位信φi为市电相位，反馈相位信号φc为逆变器输出电容电压相位。

　　鉴相器输出一个与相位差成比例关系的结果，比例系数为Kd，则有：

　　滤波器的脉冲传递函数设为F（z），可以采用巴特沃思、契比雪夫等滤波器，也常使用比例积分环节或其他环节来代替低通滤波器。本文采用的是一个比例积分环节，即：

　　这里，数控振荡器是借用了通常习惯使用的名称，实际上并没有一个振荡的部件，而是一个比例放大环节，φf比例放大后与输入信号周期（Tin）相加得到锁相输出信号周期To=Tin+Koφf，输出相位为φ=Koφf设锁相环外部的环节脉冲传递函数为G（z），则整个系统的脉冲传递函数为：

　　在这个UPS中，由实际电路和程序确定C（z）的表达式是比较困难的，设计的时候可以根据逆变器的仿真结果近似确定G（z）为一个延时很小的迟滞环节或者干脆忽略其影响。

　　2 用DSP实现的数字锁相

　　DSP是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号。再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是值得称道的两大特色。

　　锁相的环节中只有鉴相器的相位检测是由硬件电路完成，其它均在DSP中由软件实现。相位检测的电路如图3所示，比较器U2B和外围的一些元器件构成了一个带回差的过零比较器。回差的大小主要取决于抗干扰考虑，逆变器开关时对控制电路的干扰是非常严重的，要求回差取得较大为好，但过大的回差会造成相位检测误差增大，所以，回差大小的选择需要折巾考虑。实际电路中。过零附近由于干扰的存在，输出为一段电平在“0”和“1”之间反复高频翻转的信号，所以，在程序的相位检测中需要进行去抖动的处理。

　　频率的大小在程序中是由两次过零信号之间的计数值来确定的，也就是用汁数值来表示的周期值。计数在每个中断周期进行，每个计数的单位代表50μs，20ms为400个计算单位，相位差也是由计数得到。为了防止逆变器输出频率过大或者过小，必须对输出周期的计算结果进行幅度限制。同时也应该限制凋整幅度的大小，以避免输出频率的剧烈变化。

　　PLL子程序的还包括了图2中的参考波形发生部分，整个的程序流程如图4所示。

　　3 实验结果

　　用以上的方法在TMS320F240中实现了逆变器输出与市电输入的锁相，锁相的结果由TDS210型示波器拍得，如图5所示。图5中幅度较高的2为逆变器输出电压波形，用100：1的探头测得，幅度较低的1为输入市电波形，是用500：1的差分探头同时测得（由于示波器没有500：1的探头设置。测量时此通道当作是1：1的探头，所以，实际上波形1的对应的示波器量度为250V／p，而不是图中所显示的500mV／p）。

　　从图5可以清楚地看到锁相的过程，初始的时候逆变器输出相位超前于市电，所以，用比较大的输出周期来逐步锁定输入电压相位，锁定之后则以输入电压相同的周期输出，实现了同频同相。

　　4 结语

　　本文分析和讨论了逆变器中的数字锁相技术，并用DSP实现了逆变器的数字锁相，实验表明，逆变器输出能够很好地实现同步锁相，使得UPS能够在逆变供电与旁路供电之间安全切换，提高了UPS电源系统供电的可靠性。

  

参考文献:

[1]. U2B datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/U2B_2041187.html.
[2]. TMS320F240 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TMS320F240_309662.html.