一种全数字UPS逆变器锁相控制技术的研究

1.引言

UPS,不间断电源，是指在市电正常或故障情况下均可为负载提供可靠、稳定的电源形式。多用于在一些关键性的负载如计算机机房、医院等场合，为负载提供了最多的电源故障保护。然而传统的在线UPS有多个功率部分和模拟控制器，是一个非常复杂、昂贵的系统。因此，适合现代科技发展的高质量、高可靠性全数字UPS(不间断电源)的研究就成为人们十分关注的课题。数字化控制以控制简单、灵活，输出性能更加稳定，可以实现模拟控制所难以达到的功能等诸多优势成为电源研究领域的一大热点。随着微电子技术的发展，为电力电子提供了越来越多的解决方案，使UPS电源的全数字制、各种先进控制策略的引入逐步成为现实。

本文主要讨论在基于TMS320LF2407数字化控制平台的UPS中的关键技术之一-锁相控制技术。

2.锁相意义

不间断电源工作过程中存在两次切换：

一是电源启动时由旁路向负载供电，逆变器空载运行，同时启动锁相功能，调整逆变输出跟踪电网频率和相位，当逆变输出跟踪上电网频率时切换至逆变器为负载供电;二是当逆变电路发生故障，或者当负载有冲击性(例如启动负载时)或过载时，控制系统将封锁PWM输出停止逆变器对负载的供电，同时接通旁路开关，由电网直接向负载供电。

为有效保证逆变旁路切换过程不对负载产生过大的冲击，UPS逆变输出电压必须与电网电压的频率及相位保持一致。因此，UPS系统引入了锁相控制技术，软件锁相技术是数字化UPS的重要环节之一。快速可靠的软件锁相跟踪技术可以准确地为逆变器数字化控制提供与电网电压同频同相的标准电压参考正弦波。

3.锁相环基本原理

锁相环是一个闭环的相位控制系统，能够自动跟踪输入信号的频率和相位。它由相位比较器、低通滤波器、压控振荡器三部分组成，其控制框图见图1.

图1:锁相控制框图

其工作原理为：将压控振荡器的输出信号uo(t)与电网的采样信号ui(t)两路频率与相位不同的信号送入相位比较器，生成的误差信号ue(t)的幅度与uo(t)和ui(t)信号的相位差成正比。ue(t)经低通滤波器处理后将向外送出一个相当于ue(t)信号的平均值的控制电压信号uc(t)，压控振荡器在信号uc(t)的控制下将调整输出电压信号uo(t)的频率和相位，从而使uo(t)与ui(t)两路信号的频率和相位差逐渐减小。

4.在线式UPS的锁相控制技术

根据单相U P S逆变器的控制电路产成SPWM波方式的不同，实现UPS的锁相控制方法有很大区别，下面分别讨论。

4.1 在线式UPS的模拟锁相控制技术

传统的在线式UPS电源，其锁相控制原理框图如图2所示。当供电正常时，电网电压检测电路输出高电平，50Hz电网电压经波形变换电路被转换成周期为20ms的单极性“倒置全波整流”信号，再送到模拟开关1的输入端，经过模拟开关2后产生一串电网电压同步跟踪信号。由于变频器的输出信号是周期为20ms的同步捕捉信号，因此加在多谐振荡器控制端上的电网同步跟踪信号可对高频振荡器的高频输出脉冲进行相位调整，以确保正弦波发生器输出50Hz的基准正弦波。经过锁相同步电路，即“锁相环”,该正弦波总是与电网电压处于同频同相的同步跟踪状态。当供电异常时，则由多谐振荡器产生本振频率为20kHz的信号，经分频器输出500Hz的脉冲序列，然后经正弦波发生器产生稳频的50Hz标准正弦波。

图2:带输出变压器的在线式UPS电源锁相控制原理图

传统的正弦波信号发生器采用反馈振荡电路，利用电路的自激振荡和选频作用输出正弦波，但是低频模拟振荡器有一个缺点：

受电压和温度的影响大，输出信号的频率和幅度稳定性差，很难达到作为交流基准的要求;而且完全用模拟器件使得控制电路结构相当复杂，不便于生产，难以调试。

4.2 在线式UPS的数字锁相控制技术

在线式UPS的数字锁相控制技术中采用微处理器作为核心控制芯片，并采用软件实现相位锁存的方法，其电路一般由以下几部分组成：交流电压互感器，精密整流电路，过零比较器，低通滤波器，反相器，模拟切换开关及微处理器。其电路组成框图见图3.

图3:在线式UPS数字锁相控制电路组成框图

该电路工作原理为：电网交流电压经过电压互感器隔离降压成为与电网电压同频同相的低压交流信号，一路经过精密整流电路成为正极性的半波直流电压信号，通过微处理器内部的A/D转换器，测得电压的幅值;另一路经过电压过零比较器输出交流信号的正负极性，经过I/O口进入单片机，这样就可测得外部交流电压的实时波形数据，在将采集的波形数字序列经过D/A转换，即可以输出正弦波。由于电网电压中含有大量谐波成分，经电压互感器采集的交流电压信号并不是纯净的正弦波，所以采用直接输出方式产生的波形并不是稳定纯净的正弦波。

因此，在PWM输出后加入数字低通滤波器以滤除高频谐波成分，从而保证输出电压的稳定性和纯净度。

其具体实现过程是：首先，用数字序列调制单片机内部的PWM脉宽调制电路，使之产生的脉冲方波宽度正比于信号幅度，如果微处理器采用20MHz晶振，PWM输出为8位分辨率时，输出方波的最高频率为78KHz,所以在PWM输出端加一个积分常数很小的RC低通滤波器就可以得到很平滑的半波输出波形，低通滤波器造成的相位延迟可以忽略不计。该信号一路直接送到模拟开关，另一路送到反相电路成为负极性的半波电压信号，再送到模拟开关，这正负极性两路电压信号经过单片机控制的模拟开关切换，就输出与外部电网相位同步的正弦波信号。当电网出现故障时，微处理器将读取其存储器中储存的标准50Hz正弦波序列以控制逆变输出。

4.3 在线式UPS的软件锁相控制技术

随着微电子技术的发展，出现了许多性价比高的用于电机控制的专用微处理器，微处理器内部集成了PWM波产生电路，可以通过软件编程来改变PWM波输出频率。UPS中的软件锁相控制就是基于此类微处理器，以程序计算方式来实现。其软件实现的方式有两种。一种是需要对市电电压和逆变输出电压两路信号进行滤波整形，变换为与其同频率的方波信号，通过微处理器的捕获引脚捕获方波上升沿的跳变，由捕获值来计算频率及相位差，以此调整输出SPWM波的频率，使得两路信号的频率与相位保持一致，其锁相同步控制原理框图如图4所示。另一种方法只需对市电电压进行方波变换，在对市电变换方波的捕获中断中，通过判断SPWM输出波的相位相对于市电相位的超前或滞后，通过改变SPWM定时器周期值来调整SPWM波下周期的输出频率，从而实现频率跟踪。

图4:软件锁相同步控制

两种方法的共同之处是：都事先设定电网电压频率为50Hz,根据SPWM载波频率将每个电压周期分为N等份(当载波频率为78KHz时，N=150)，将对应时刻的正弦值制作成表存在微处理器的存储器中，保持每SPWM周期输出序列个数N值不变，调整载波频率实现对输出电压频率的调整;它们的实现过程都依赖于两个中断，一个是SPWM载波周期定时器中断，一个是捕获中断(可通过设置捕获中断方式使得捕获中断发生在正弦波周期的零相位时刻)。

由于两种方法都是通过调整SPWM频率实现逆变输出对市电电压的锁相，稳态时其跟踪精度较高，但动态性能不好，锁相环启动时的跟踪调整速度较慢，因此同步响应速度有待提高，且需进一步增强同步的抗干扰和容错能力。

5.结论

本文所研究的基于TMS320LF2407数字化控制平台的UPS的软件锁相技术，锁相精度高，易于实现，可以很好地满足不间断电源的锁相技术要求。