基于單片機(jī)的UPS數(shù)字化鎖相技術(shù)

摘要：為了使運(yùn)行中的不間斷電源(UPS)保持輸入、輸出的電壓、頻率和相位一致性，結(jié)合鎖相環(huán)原理，并利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了高精度的數(shù)字鎖相環(huán)。通過(guò)捕獲中斷和周期中斷獲取的輸入、輸出相差，經(jīng)過(guò)分段式變PI控制器，計(jì)算出載波周期的補(bǔ)償量，采用分組線性插補(bǔ)再調(diào)制技術(shù)，改變了每個(gè)載波周期值，從而實(shí)現(xiàn)了高精度數(shù)字鎖相功能。在此，給出了硬件實(shí)現(xiàn)電路及軟件流程圖。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的可行性。

關(guān)鍵詞：不間斷電源;數(shù)字;鎖相環(huán)控制

1 引言

隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展和計(jì)算機(jī)的日益普及，對(duì)電源系統(tǒng)供電質(zhì)量和可靠性的要求越來(lái)越高，不間斷電源(UPS)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。在運(yùn)行時(shí)，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(fā)生變化時(shí)保證UPS向負(fù)載提供不間斷、穩(wěn)定的電能，且不對(duì)負(fù)載產(chǎn)生過(guò)大的沖擊。所以，UPS中的逆變器須有鎖相環(huán)節(jié)，以保證UPS與市電的同步。同步鎖相控制應(yīng)具備下述功能：

①當(dāng)電網(wǎng)頻率滿足精度要求時(shí)，使逆變器與電網(wǎng)同步運(yùn)行;

②當(dāng)電網(wǎng)頻率超出精度要求范圍或電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，使逆變器與內(nèi)部高精度的基準(zhǔn)頻率同步運(yùn)行。此外，兩種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換要平穩(wěn)，以免造成轉(zhuǎn)換過(guò)程中逆變器工作頻率的劇烈抖動(dòng)。

鎖相可分為模擬鎖相和數(shù)字鎖相。與傳統(tǒng)的模擬鎖相相比，數(shù)字鎖相不僅能簡(jiǎn)化硬件電路的設(shè)計(jì)，降低成本，還可解決模擬電路中需要調(diào)整電路參數(shù)，以及器件的老化和溫漂等問(wèn)題，大大提高了電路的可靠性和鎖相精度。在此，討論了逆變器的輸出電壓數(shù)字鎖相技術(shù)[1,2]。

2 數(shù)字鎖相環(huán)

2.1 鎖相原理

鎖相環(huán)是一個(gè)閉環(huán)的相位控制系統(tǒng)，能夠自動(dòng)跟蹤輸入信號(hào)的頻率和相位。圖1示出普通的模擬鎖相環(huán)控制框圖。它由鑒相器(PD)、低通濾波器 (LPF)和壓控振蕩器(VCO)組成。通過(guò)將VCO的輸出電壓信號(hào)uout(t)和電網(wǎng)電壓的采樣信號(hào)uin(t)這兩路頻率與相位不同的信號(hào)送入鑒相器，生成誤差信號(hào)Ue(t)，該信號(hào)是相位差的線性函數(shù)。ue(t)經(jīng)過(guò)低通濾波器后輸出電壓信號(hào)UD(t)。VCO在uc(t)的控制下將改變uout(t)的頻率和相位，以減小uout(t)的頻率和相位差。

在UPS的數(shù)字化控制中，傳統(tǒng)的模擬鎖相環(huán)改變?yōu)橛密浖?shí)現(xiàn)的數(shù)字鎖相環(huán)。旁路電壓ub和逆變器的輸出電壓uoi分別經(jīng)過(guò)過(guò)零檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)，單片機(jī)的捕獲單元在捕獲到方波信號(hào)每個(gè)上升沿到來(lái)時(shí)，讀取定時(shí)器的計(jì)數(shù)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這兩個(gè)捕獲單元共用一個(gè)定時(shí)器的計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器溢出時(shí)自動(dòng)清零。用每一次的旁路電壓上升沿時(shí)刻減去之前的輸出電壓上升沿時(shí)刻即為uoi與ub的相位差。圖3示出數(shù)字鎖相的實(shí)現(xiàn)。

2.2 數(shù)字鎖相方法

對(duì)采用SPWM 控制的逆變器，可固定載波比N(N=fc/f1)，通過(guò)改變?nèi)禽d波周期Tc，即頻率fc，可改變輸出的交流電壓基波頻率f1。這里正是采用這種方法來(lái)調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓和輸出頻率，從而相應(yīng)地調(diào)節(jié)相位，以完成逆變器輸出頻率的相位跟蹤市電的鎖相過(guò)程。在圖3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的相位滯后ub，需要減小逆變器的輸出載波周期T1PR值，直至Td在允許范圍內(nèi)，即實(shí)現(xiàn)了鎖相。