通過捕獲中斷和周期中斷獲取的輸入、輸出相差，經過分段式變PI控(kong)製(zhi)器(qi)，計(ji)算(suan)出(chu)載(zai)波(bo)周(zhou)期(qi)的(de)補(bu)償(chang)量(liang)，采(cai)用(yong)分(fen)組(zu)線(xian)性(xing)插(cha)補(bu)再(zai)調(tiao)製(zhi)技(ji)術(shu)，改(gai)變(bian)了(le)每(mei)個(ge)載(zai)波(bo)周(zhou)期(qi)值(zhi)，從(cong)而(er)實(shi)現(xian)了(le)高(gao)精(jing)度(du)數(shu)字(zi)鎖(suo)相(xiang)功(gong)能(neng)。在(zai)此(ci)
，給(gei)出(chu)了(le)硬(ying)件(jian)實(shi)現(xian)電(dian)路(lu)及(ji)軟(ruan)件(jian)流(liu)程(cheng)圖(tu)。通(tong)過(guo)實(shi)驗(yan)驗(yan)證(zheng)了(le)該(gai)方(fang)案(an)的(de)可(ke)行(xing)性(xing)。
    

1 引言

隨著信息技術的迅速發展和計算機的日益普及，對電源係統供電質量和可靠性的要求越來越高，不間斷電源(UPS)的應用也越來越廣泛。在運行時
，要求UPS的輸出電壓、頻率和相位都與市電保持一致，這樣才能在市電發生變化時保證UPS向負載提供不間斷、穩定的電能


，且不對負載產生過大的衝擊。所以，UPS中的逆變器須有鎖相環節

，以保證UPS與市電的同步。同步鎖相控製應具備下述功能：

①當電網頻率滿足精度要求時，使逆變器與電網同步運行
； 
②dangdianwangpinlvchaochujingduyaoqiufanweihuodianwangfashengguzhangshi
，shinibianqiyuneibugaojingdudejizhunpinlvtongbuyunxing。ciwai

，liangzhongzhuangtaizhijiandezhuanhuanyaopingwen，yimianzaochengzhuanhuanguochengzhongnibianqigongzuopinlvdejuliedoudong。

suoxiangkefenweimonisuoxiangheshuzisuoxiang。yuchuantongdemonisuoxiangxiangbi
，shuzisuoxiangbujinnengjianhuayingjiandianludesheji，jiangdichengben，haikejiejuemonidianluzhongxuyaotiaozhengdianlucanshu，yijiqijiandelaohuahewenpiaodengwenti
，dadatigaoledianludekekaoxinghesuoxiangjingdu。zaici，taolunlenibianqideshuchudianyashuzisuoxiangjishu[1,2]。

2  數字鎖相環

2.1 鎖相原理

鎖相環是一個閉環的相位控製係統，能夠自動跟蹤輸入信號的頻率和相位。圖1示出普通的模擬鎖相環控製框圖。它由鑒相器(PD)、低通濾波器 (LPF)和壓控振蕩器(VCO)組成。通過將VCO的輸出電壓信號uout(t)和電網電壓的采樣信號uin(t)這兩路頻率與相位不同的信號送入鑒相器，生成誤差信號Ue(t)，該信號是相位差的線性函數。ue(t)經過低通濾波器後輸出電壓信號UD(t)。VCO在uc(t)的控製下將改變uout(t)的頻率和相位
，以減小uout(t)的頻率和相位差。

   

在UPS的數字化控製中，傳統的模擬鎖相環改變為用軟件實現的數字鎖相環。旁路電壓ub和逆變器的輸出電壓uoi分別經過過零檢測電路轉換為方波信號
，單片機的捕獲單元在捕獲到方波信號每個上升沿到來時，讀取定時器的計數值。圖2示出電壓捕獲示意圖。

旁路電壓ub和逆變器的輸出電壓uoi這(zhe)兩(liang)個(ge)捕(bu)獲(huo)單(dan)元(yuan)共(gong)用(yong)一(yi)個(ge)定(ding)時(shi)器(qi)的(de)計(ji)數(shu)器(qi)，計(ji)數(shu)器(qi)溢(yi)出(chu)時(shi)自(zi)動(dong)清(qing)零(ling)。用(yong)每(mei)一(yi)次(ci)的(de)旁(pang)路(lu)電(dian)壓(ya)上(shang)升(sheng)沿(yan)時(shi)刻(ke)減(jian)去(qu)之(zhi)前(qian)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)上(shang)升(sheng)沿(yan)時(shi)刻(ke)即(ji)為(wei)uoi與ub的相位差。圖3示出數字鎖相的實現。

   

2.2 數字鎖相方法

對采用SPWM 控製的逆變器，可固定載波比N(N=fc/f1)，通過改變三角載波周期Tc，即頻率fc，可改變輸出的交流電壓基波頻率f1。這zhe裏li正zheng是shi采cai用yong這zhe種zhong方fang法fa來lai調tiao節jie逆ni變bian器qi的de輸shu出chu電dian壓ya和he輸shu出chu頻pin率lv
，從cong而er相xiang應ying地di調tiao節jie相xiang位wei
，以yi完wan成cheng逆ni變bian器qi輸shu出chu頻pin率lv的de相xiang位wei跟gen蹤zong市shi電dian的de鎖suo相xiang過guo程cheng。在zai圖tu3中
，若Td 
，則uoi的相位超前ub
，需要增大逆變器的輸出載波周期T1PR值；反之若Td>T/2，則uoi的相位滯後ub
，需要減小逆變器的輸出載波周期T1PR值
，直至Td在允許範圍內，即實現了鎖相。

為了實現對電網電壓、頻pin率lv和he相xiang位wei的de跟gen蹤zong，可ke利li用yong一yi個ge比bi較jiao器qi進jin行xing過guo零ling檢jian測ce
，以yi提ti高gao抗kang幹gan擾rao能neng力li及ji保bao證zheng檢jian測ce的de快kuai速su性xing，工gong程cheng上shang所suo用yong的de比bi較jiao器qi一yi般ban為wei滯zhi環huan比bi較jiao器qi。圖tu4示出過零檢測滯環比較器電路及其輸出波形。
 
   
為了實現鎖相，程序中采用了一個單增模式計數器，計數溢出後自動清零，由單片機的定時器TA來充當。同時設定兩個寄存器ophs和kx。當逆變器的輸出電壓上升沿發生觸發中斷時，將捕獲通道的計數值賦給ophs；同理，當ub中斷時，將捕獲通道的計數值賦給kx，兩值相減即為相位差。

2.3 數字鎖相環路傳函

在數字鎖相控製中

，圖1的環路濾波器用比例積分環節替代，壓控振蕩器變成數控振蕩器，並通過相位累加器予以實現。改變uoi的相位
，以跟蹤輸入電壓的相位是非常困難的

，因此在實際中一般通過改變逆變器的 頻率來達到跟蹤輸入電壓相位的目的。這裏也正是采用這種方法來鎖相的，所以逆變器可等效為純積分環節。

為了保證穩態時逆變器跟蹤電網相位的誤差為零，環路濾波器采用分段式變PI調節器
，PI調節器的傳遞函數表達式為：(1)

式中Kp,KI――比例環節和積分環節的係數 
當采樣周期很短時，映射到z域時有(2)
在數字控製中

，由文獻[3]可知，數控振蕩器的z域傳遞函數為：                    (3)
式中ω――輸入

電壓角頻率
z-1――延時一個采樣周期
T――鎖相環的采樣周期，T=2π/ω
針對環路各部分環節，係統的閉環傳遞函數為：                                                     (4)  
式中K1――比例環節P參數          
K2――積分環節I參數
特征方程為：
z2+(K1+K2-2)z+(1-K1)=0(5)
根據離散係統奈奎斯特判據，環路穩定的充分必要條件是閉環傳遞函數特征方程的特征根全部位於z平麵的單位圓內
，解得環路的穩定條件為K1> 0;K2>0
；2K1+K2<4。由此可確定P和I的參數值。

2.4 數字鎖相程序

程序上安排單片機的兩個捕獲中斷程序及周期中斷程序，以完成檢測和計算任務。

(1)逆變輸出電壓捕獲中斷程序  該程序的任務是實現逆變器的輸出電壓過零點的檢測及時刻的讀取。當CAP口捕獲到逆變器的輸出電壓對應的方波上升沿時，進入CAP中斷程序，讀取TACH1的值，並賦給ophs，它代表了逆變器輸出電壓的相位值。
      

(2)旁路電壓捕獲中斷程序   該程序的任務是實現旁路電壓過零點的檢測及時刻的讀取
，並且計算相差作為PI調節，得出載波周期的總調節量。當CAP口捕獲到旁路電壓對應的方波上升沿時，進入CAP中斷程序，讀取TACH0的值

，並賦給Kx，它代表了旁路電壓的相位值。

相位差的計算公式為Phasemin=kx-ophs。當相位差寄存器Phasemin超出鎖相誤差允許範圍時，通過數字PI調節器進行閉環控製，在此采用分段式變PI調節器得出鎖相調節量。

(3)周期中斷程序  在旁路電壓捕獲中斷程序中
，已得到一個逆變器輸出電壓周期總的載波周期調節量。此時
，采用文獻[4]中提到的分組順序插補方式再調製SPWM，可大大提高一個正弦周期的最小相位差與相位控製分辨率之比。
圖5示出逆變器輸出電壓CAP的中斷程序、周期中斷程序、數(shu)字(zi)鎖(suo)相(xiang)程(cheng)序(xu)流(liu)程(cheng)圖(tu)。可(ke)見(jian)，相(xiang)臨(lin)的(de)兩(liang)次(ci)輸(shu)入(ru)輸(shu)出(chu)捕(bu)獲(huo)中(zhong)斷(duan)獲(huo)取(qu)輸(shu)入(ru)輸(shu)出(chu)的(de)相(xiang)位(wei)值(zhi)。在(zai)輸(shu)入(ru)中(zhong)斷(duan)中(zhong)，兩(liang)值(zhi)相(xiang)減(jian)得(de)到(dao)相(xiang)位(wei)差(cha)
，繼(ji)而(er)判(pan)斷(duan)相(xiang)位(wei)差(cha)處(chu)於(yu)何(he)種(zhong)範(fan)圍(wei)
，在(zai)程(cheng)序(xu)中(zhong)對(dui)於(yu)相(xiang)位(wei)差(cha)的(de)大(da)小(xiao)劃(hua)分(fen)成(cheng)大(da)中(zhong)小(xiao)3個區間，采用分段式變PI調節，在大區間，P和I的參數值都較大；在中區間
，P的值保持不變，I的值減小；在小區間，P和I的值都較小。這樣可滿足快而準的鎖相要求。經過PI調節器計算得到一個輸出周期的調節量△-pll
，把它累加到上次的T2PR上。在周期中斷中，通過分組線性插補的再調製方式，將該程序分為兩組，計算每次載波周期的周期值 Tc，並賦給PMOD。其中，市電相位相當於給定


，而逆變器的輸出電壓相位相當於反饋，PI的輸出用以微調載波周期Tc。設計合理的PI調節器參數，可確保鎖相過程快速
、穩定和準確。

        2.5 分組線性插補與鎖相精度[5]

        一個UPS係統中，當晶振頻率為f，載波最小數單位為1，則最小時基對應1/f
，記為T1。載波由采用連續增減技術方式的計數器形成，每個載波周期的最小控製誤差為2T1，載波比為N，則每個輸出正弦周期的最小相位差為2NTl，相位控製分辨率為2NT1/T(T為輸出正弦周期)。由文獻[4]可知，采用分組線性插補再調製方法後，最小相位差為2DTl
，相位控製分辨率為2DTl/T。由此可見
，采用分組線性插補再調製方法後，相位控製分辨率提高了N/D倍，所分組數D越小
，控製分辨率越高。這裏，N=64，f=8MHz，則T1=125ns，逆變器的輸出正弦周期T=20ms，若不采用分組線性插補，則每個正弦周期最小相位差為 64×2×125ns=16μs
，即(16μs/20ms)×3600=0.2880

，相位控製分辨率為2×64×125ns/20ms=0.08%。若采用分組線性插補的方法
，取D=2
，則每個正弦周期最小相位差為2×2×125ns=0.5μs，即(0.5μs/20ms)×3600=00090
，相位控製分辨率為2×2×125ns/20ms=0.0025%。采用分組線性插補後，每個周期的最小相位差減小了，同時相位控製分辨率也有很大的提高，可以實現高精度的鎖相控製。

3 實驗結果

該鎖相方法已成功用於50Hz/220V在線式UPS的鎖相控製中。圖6示出逆變器的輸出電壓uoi和旁路電壓ub實驗波形。

   
 
4 結論

探tan討tao了le采cai用yong單dan片pian機ji的de數shu字zi鎖suo相xiang控kong製zhi技ji術shu。實shi驗yan結jie果guo表biao明ming，其qi鎖suo相xiang精jing度du高gao，易yi於yu實shi現xian，而er且qie可ke以yi很hen好hao地di實shi現xian逆ni變bian器qi輸shu出chu電dian壓ya的de同tong步bu鎖suo相xiang。實shi驗yan結jie果guo驗yan證zheng了le該gai方fang法fa的de可ke行xing性xing和he有you效xiao性xing。