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Vi和壓控振蕩器的輸出信號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芯片實現(xiàn)的數(shù)字方法與模擬方法相比有如下優(yōu)點：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，而不必對硬件電路做改動；可靠性高；維護方便，一旦出現(xiàn)故障，可以很方便地進行在線調(diào)試。因此，本文設(shè)計的鎖相控制系統(tǒng)采用TI公司TMS320LF2407A芯片來實現(xiàn)對市電的跟蹤。
2 鎖相控制的設(shè)計與實現(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。本文利用一個遲滯比較器把輸入整形為一個和輸入同頻同相的矩形波，然后利用該波形在軟件上進行頻率和相位跟蹤。具體實現(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正弦信號需要由DSP 給出。在本文中，基準正弦信號是一個正弦數(shù)據(jù)表格，數(shù)據(jù)表格中的數(shù)據(jù)個數(shù)需要事先確定。確定數(shù)據(jù)個數(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50 Hz 的工頻周期開關(guān)動作400次。由于一個正弦周期的正弦值可以由0～π/2的正弦值來確定，所以一個正弦周期的數(shù)據(jù)表格的數(shù)據(jù)個數(shù)N最少可以為100個。正弦表的數(shù)據(jù)可以由Matlab仿真軟件給出。在Matlab中新建一個如圖5所示的仿真文件，設(shè)置采樣時間為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)。

將基準正弦波制成表格，設(shè)定好定時器之后，在每個開關(guān)周期（定時器的中斷周期），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信號電平的高低。與此同時查表指針加一，在一個正弦周期結(jié)束時將查表指針復(fù)位至參考正弦波表的首地址。
2.3 鎖相過程
電網(wǎng)電壓信號通過硬件電路整形后產(chǎn)生與其同步的TTL方波信號，如圖4所示。將該方波信號送入LF2407A 的引腳CAP1。LF2407A 內(nèi)部軟件為CAP1分配一個計數(shù)時基，同時設(shè)定該時基為遞增計數(shù)模式。只捕捉TTL信號的上升沿，并記錄下此時定時器的值。這樣相鄰兩次定時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 標記，如果是第一次，中斷返回，如果不是，則計算與前次計數(shù)值的差值，通過計數(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比市電周期計數(shù)值小得多）。同時，通過判斷電網(wǎng)電壓過零時正弦表格指針所處的位置，以判斷二者之間的相位差，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中斷共同完成的，定時中斷用來輸出SPWM波，捕捉中斷用來完成并網(wǎng)電壓的周期計算和相位調(diào)整。具體是利用電網(wǎng)電壓周期來實時計算周期寄存器T1PR 值作為給定并網(wǎng)電壓周期，實現(xiàn)與電網(wǎng)電壓的同頻；通過調(diào)整正弦表指針index來實現(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 實驗結(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。實驗證明基于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際電網(wǎng)相位。
3 結(jié)語
用軟件實現(xiàn)鎖相方案，所有的鎖相控制功能都由DSP芯片完成，除了市電頻率信號波形整形電路，無須增加其它外圍設(shè)備?？刂齐娐贩浅：唵危加皿w積小，而且控制精度高，能實現(xiàn)復(fù)雜控制，幾乎不受外界環(huán)境因素的影響。實驗結(jié)果表明，基于DSP的數(shù)字化逆變器并網(wǎng)鎖相方法，能夠快速實現(xiàn)逆變輸出對市電輸入的可靠跟蹤。

作者簡介：

    李進兵（1980-），男，燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)及其自動化。

參考文獻：

    [1] 吳渭，向建玲.基于DSP的UPS輸出電壓鎖相技術(shù)[J].電工技術(shù)雜志，2003，(4):49-51.
[2] 劉洋，陳瑁. 一種基于DSP 的鎖相控制技術(shù)[J].儀器儀表用戶，2005，(2):14-16.
[3] 王福昌，魯昆生. 鎖相技術(shù)[M].武漢:華中理工大學(xué)出版社，1997.
[4] 劉和平. TMS320LF240XDSP結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用[M].北京：航空航天大學(xué)出版社，2002.