基于DSP技術(shù)的軟件鎖相環(huán)設(shè)計(jì)

0 引言

隨著世界環(huán)境污染與經(jīng)濟(jì)危機(jī)的曰趨嚴(yán)重，可再生能源的研究越來(lái)越受人們重視。作為最有開(kāi)發(fā)前景可產(chǎn)生可再生能源的變流器并網(wǎng)技術(shù)成為人們研究的重點(diǎn)。其中鎖相技術(shù)是其核心技術(shù)。

常用的鎖相有硬件鎖相和軟件鎖相。傳統(tǒng)的硬件鎖相就是通過(guò)邏輯器件對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行過(guò)零檢測(cè)，電路簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)巧妙，但具有一些不足，當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生頻率、相位突變或三相電壓不平衡時(shí)很難實(shí)現(xiàn)鎖相，動(dòng)態(tài)性能較差。而軟件鎖相具有良好的抗干擾能力，能以較高的精度、較快的速度實(shí)現(xiàn)鎖相。

因此，本文在分析鎖相環(huán)基本原理的基礎(chǔ)上，搭建并網(wǎng)試驗(yàn)平臺(tái)，采用設(shè)計(jì)自由、適應(yīng)性強(qiáng)的軟件鎖相技術(shù)，試驗(yàn)表明，本軟鎖相技術(shù)可很好地實(shí)現(xiàn)鎖相。

1 鎖相環(huán)基本原理

鎖相環(huán)是一個(gè)相位誤差反饋系統(tǒng)，由鑒相器(PD)、低通濾波器(LPF)和壓控振蕩器(VCO)組成，其工作原理是將輸入的電壓信號(hào)與SPLL內(nèi)部信號(hào)的相位差轉(zhuǎn)換為直流量，經(jīng)過(guò)濾波器后通過(guò)壓控振蕩器，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的頻率和相位的調(diào)整，從而使其與電網(wǎng)電壓同頻同相，其控制結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

其中，鑒相器采用乘法器，構(gòu)成基于乘法鑒相器的閉環(huán)鎖相環(huán)，將壓控振蕩器的輸出信號(hào)v0與輸入信號(hào)vg進(jìn)行相位比較，從而產(chǎn)生相位差的誤差電壓vd。

鑒相器輸出式(1)：

上式中可以發(fā)現(xiàn)，鑒相器輸出的相位差中存在高頻分量，因此需要通過(guò)低通濾波器來(lái)濾除其中的高頻成分。低通濾波器實(shí)際上是一個(gè)比例積分控制器PI，濾除誤差電壓vd中的二次諧波分量和噪聲，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通過(guò)PI控制器的誤差傳遞函數(shù)輸出為式(2)。

壓控振蕩器在鎖相環(huán)路中起了一次積分的作用，即壓控振蕩器實(shí)際上是鎖相環(huán)路中的固有積分環(huán)節(jié)，完成電壓/頻率的變換。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 DSP28335簡(jiǎn)單介紹

本文采用的DSP芯片為TMS320F28335，該芯片具有一個(gè)12位帶流水線結(jié)構(gòu)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和6個(gè)獨(dú)立的ePWM模塊。ADC具有16個(gè)通道，1個(gè)轉(zhuǎn)換內(nèi)核，可實(shí)現(xiàn)順序采樣和同時(shí)采樣。一個(gè)完整的ePWM輸出通道包括EPWMxA和EPWMxB兩路信號(hào)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的IPM模塊驅(qū)動(dòng)信號(hào)由該模塊產(chǎn)生。

2.2 信號(hào)調(diào)理電路

本設(shè)計(jì)采用霍爾電壓傳感器VSM025對(duì)交流電壓進(jìn)行采樣，將采集到的電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換成在-3～+3V之間;同時(shí)通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路對(duì)傳感器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行差分放大和抬升，并輸出0～3V電壓信號(hào)，通過(guò)DSP的AD采樣后進(jìn)行信號(hào)的采集和處理。其信號(hào)調(diào)理電路如圖2所示。

2.3 信號(hào)輸出電路

PWM信號(hào)是一系列可變脈寬的脈沖信號(hào)，其輸出可以用來(lái)表征模擬信號(hào)，在PWM輸出端進(jìn)行積分可以得到期望的模擬信號(hào)。本系統(tǒng)中產(chǎn)生的PWM波通過(guò)邏輯芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)IPM模塊，通過(guò)RC低通濾波電路到PWMDAC口將波形輸出觀察。其電路圖如圖3所示。

3 軟件算法設(shè)計(jì)

并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，通過(guò)鎖相技術(shù)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓相位的鎖定，從而使逆變輸出的電流與電網(wǎng)電壓同頻同相。鎖相技術(shù)中其控制精度直接影響到并網(wǎng)運(yùn)行的性能。軟件鎖相的流程圖如圖4所示。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 采用PWMDAC進(jìn)行驗(yàn)證

為了驗(yàn)證軟件鎖相的效果搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)包含模擬電網(wǎng)、電壓傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、DSP(TMS320F28335)核心板、信號(hào)輸出電路、數(shù)字示波器六個(gè)部分，如圖5所示。

通過(guò)霍爾電壓傳感器檢測(cè)電網(wǎng)三相電壓中一相的電壓，將采集到的信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行處理，隨后經(jīng)DSP的AD口進(jìn)行采樣，并在DSP的內(nèi)部進(jìn)行鎖相，并通過(guò)PWM口的RC濾波電路進(jìn)行輸出。通過(guò)數(shù)字示波器觀察PWMDAC口的輸出波形與電網(wǎng)電壓波形來(lái)判斷鎖相的效果。

示波器觀察波形如圖6所示，系統(tǒng)中模擬電網(wǎng)的電壓為18V，如藍(lán)線(上)所示，綠線(下)為PWMDAC口輸出電壓。通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn)，PWMDAC的波形和電網(wǎng)電壓相位一致，很好地實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)電壓相位的鎖定。

4.2 并網(wǎng)驗(yàn)證

在軟件鎖相的基礎(chǔ)上搭建并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包含三相模擬電網(wǎng)、電壓傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、DSP(TMS320F28335)核心板、IPM模塊、三相電感、電流傳感器、數(shù)字示波器八部分，如圖7所示。其中IPM模塊使用的是三菱公司的型號(hào)為PS21765的模塊，IPM內(nèi)部集成了邏輯、控制、檢測(cè)和保護(hù)電路。三相電感的電感值為7mH。電流傳感器檢測(cè)輸出電流信號(hào)，其信號(hào)調(diào)理電路與電壓一樣。

DSP產(chǎn)生的PWM信號(hào)，經(jīng)過(guò)邏輯電路來(lái)驅(qū)動(dòng)三菱公司的IPM，并網(wǎng)時(shí)，先觀察鎖相波形及輸出電壓，在滿足條件的前提下實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。并網(wǎng)結(jié)果波形如圖8所示，紅線為輸出電流波形，藍(lán)線為通過(guò)傳感器后的電網(wǎng)電壓波形。

通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，并網(wǎng)逆變器的輸出電流和電網(wǎng)電壓相位一致，從而實(shí)現(xiàn)相位鎖定和逆變器并網(wǎng)。

5 總結(jié)