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1 概述
在逆變器并網(wǎng)控制系統(tǒng)中，為了保證逆變器輸出電流和電網(wǎng)電壓同相，一般要采用鎖相環(huán)（PLL-Phase Locked Loop）技術(shù)。常用的模擬鎖相環(huán)主要由鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LF）和壓控振蕩器（VCO）組成，如圖1所示。鑒相器比較輸入信號(hào)Vi和壓控振蕩器的輸出信號(hào)V0之間的相位差，完成相位差—電壓變換。環(huán)路濾波器的作用是濾除鑒相器輸出信號(hào)Vd中的高頻分量和其它干擾分量。壓控振蕩器的振蕩頻率受環(huán)路濾波器輸出電壓VC的控制，實(shí)現(xiàn)電壓—頻率的變換，從而完成鎖相的功能。

傳統(tǒng)的鎖相方法電路復(fù)雜且精度不高，以高速DSP芯片實(shí)現(xiàn)的數(shù)字方法與模擬方法相比有如下優(yōu)點(diǎn)：智能化程度更高，性能更加完美；控制靈活，甚至可以在線修改控制算法，而不必對(duì)硬件電路做改動(dòng)；可靠性高；維護(hù)方便，一旦出現(xiàn)故障，可以很方便地進(jìn)行在線調(diào)試。因此，本文設(shè)計(jì)的鎖相控制系統(tǒng)采用TI公司TMS320LF2407A芯片來實(shí)現(xiàn)對(duì)市電的跟蹤。
2 鎖相控制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
一般軟件鎖相環(huán)的程序流程圖如2圖所示。

2.1 市電頻率信號(hào)波形整形電路
由于DSP LF2407A的參考電壓為3.3 V，需要通過硬件電路將220 V電壓轉(zhuǎn)化成3.3 V的方波。本文利用一個(gè)遲滯比較器把輸入整形為一個(gè)和輸入同頻同相的矩形波，然后利用該波形在軟件上進(jìn)行頻率和相位跟蹤。具體實(shí)現(xiàn)電路如圖3所示。整定電路的輸出波形如圖4所示。
2.2 SPWM波的發(fā)生
逆變器輸出電壓基準(zhǔn)正弦信號(hào)需要由DSP 給出。在本文中，基準(zhǔn)正弦信號(hào)是一個(gè)正弦數(shù)據(jù)表格，數(shù)據(jù)表格中的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)需要事先確定。確定數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)的依據(jù)主要是開關(guān)頻率，本文所用逆變器采用雙極性調(diào)制，開關(guān)頻率為20 kHz，所以一個(gè)50 Hz 的工頻周期開關(guān)動(dòng)作400次。由于一個(gè)正弦周期的正弦值可以由0～π/2的正弦值來確定，所以一個(gè)正弦周期的數(shù)據(jù)表格的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)N最少可以為100個(gè)。正弦表的數(shù)據(jù)可以由Matlab仿真軟件給出。在Matlab中新建一個(gè)如圖5所示的仿真文件，設(shè)置采樣時(shí)間為50 μs, 執(zhí)行仿真操作后，Matlab 工作空間Wokspace 里的Xout文件中便記錄了頻率為20 kHz的正弦數(shù)據(jù)。

將基準(zhǔn)正弦波制成表格，設(shè)定好定時(shí)器之后，在每個(gè)開關(guān)周期（定時(shí)器的中斷周期），DSP 程序根據(jù)查表指針從參考正弦波表獲得相應(yīng)數(shù)字量，并將它賦值給比較寄存器CMPRx，然后比較寄存器比較后決定SPWM信號(hào)電平的高低。與此同時(shí)查表指針加一，在一個(gè)正弦周期結(jié)束時(shí)將查表指針復(fù)位至參考正弦波表的首地址。
2.3 鎖相過程
電網(wǎng)電壓信號(hào)通過硬件電路整形后產(chǎn)生與其同步的TTL方波信號(hào)，如圖4所示。將該方波信號(hào)送入LF2407A 的引腳CAP1。LF2407A 內(nèi)部軟件為CAP1分配一個(gè)計(jì)數(shù)時(shí)基，同時(shí)設(shè)定該時(shí)基為遞增計(jì)數(shù)模式。只捕捉TTL信號(hào)的上升沿，并記錄下此時(shí)定時(shí)器的值。這樣相鄰兩次定時(shí)器值的差即為所測電網(wǎng)電壓的周期，用該周期作為正弦調(diào)制波的周期，即輸出并網(wǎng)電流的周期, 為了判斷是否是第一次CAP1 中斷，可設(shè)一整形變量capflag 標(biāo)記，如果是第一次，中斷返回，如果不是，則計(jì)算與前次計(jì)數(shù)值的差值，通過計(jì)數(shù)差值的范圍判斷是否為毛刺干擾（干擾產(chǎn)生的捕獲所得差值會(huì)比市電周期計(jì)數(shù)值小得多）。同時(shí)，通過判斷電網(wǎng)電壓過零時(shí)正弦表格指針?biāo)幍奈恢茫耘袛喽咧g的相位差，相應(yīng)地調(diào)整給定并網(wǎng)電流的正弦表格指針，最后實(shí)現(xiàn)二者的同頻同相。
該系統(tǒng)的軟件鎖相是由捕捉中斷和定時(shí)中斷共同完成的，定時(shí)中斷用來輸出SPWM波，捕捉中斷用來完成并網(wǎng)電壓的周期計(jì)算和相位調(diào)整。具體是利用電網(wǎng)電壓周期來實(shí)時(shí)計(jì)算周期寄存器T1PR 值作為給定并網(wǎng)電壓周期，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)電壓的同頻；通過調(diào)整正弦表指針index來實(shí)現(xiàn)和電網(wǎng)電壓同相。程序流程圖如圖6所示。

下面是部分捕獲程序。
CAP4_ISR:
LDP #5
LACL flag
BCND NEXT，EQ
LDP #DP_EVB
SPLK #0FFFFH，EVBIFRC
LACL CAP4FIFO
LDP #5
SUB CAP4TEMP
SACL PRD
SPLK #00H，flag
LACL index
BCND EXIT1，EQ
LACL #200
SUB index
BCND DOWN1,LT
LDP #5
LACL index
ADD #1
SACL index
2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖7為市電波形和逆變電源產(chǎn)生的正弦波的同步情況。實(shí)驗(yàn)證明基于DSP的鎖相算法是可行的，由圖可見逆變器輸出電壓可以很好地跟蹤實(shí)際電網(wǎng)相位。
3 結(jié)語
用軟件實(shí)現(xiàn)鎖相方案，所有的鎖相控制功能都由DSP芯片完成，除了市電頻率信號(hào)波形整形電路，無須增加其它外圍設(shè)備。控制電路非常簡單，占用體積小，而且控制精度高，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制，幾乎不受外界環(huán)境因素的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于DSP的數(shù)字化逆變器并網(wǎng)鎖相方法，能夠快速實(shí)現(xiàn)逆變輸出對(duì)市電輸入的可靠跟蹤。

作者簡介：

    李進(jìn)兵（1980-），男，燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化。

參考文獻(xiàn)：

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