隨著信息技術的迅速發(fā)展和計算機的日益普及，對電源系統(tǒng)供電質量和可靠性的要求越來越高，不間斷電源（UPS）的應用越來越廣泛。由于在線式UPS 需要在旁路電源供電與逆變供電之間進行切換，為了實現(xiàn)連續(xù)切換，需要通過同步鎖相器實現(xiàn)逆變器輸出電壓與旁路電壓同步。相同的道理，鎖相同步在多臺UPS并機和多臺UPS構成冗余系統(tǒng)時也是必需的。UPS的逆變器輸出相位可以和市電保持一致，但輸出波形的幅度要保持一致則違背了UPS的功能，所以，通常UPS鎖相的目標是在保證相位一致的情況下保持幅度近似相等。

　　鎖相可分為模擬鎖相和數字鎖相。與傳統(tǒng)的模擬鎖相相比，數字鎖相不僅可以簡化硬件電路降低成本，還解決了模擬電路中器件的老化和溫漂等問題，提高了鎖相的。本文討論基于DSP的數字鎖相技術。

　　1 數字鎖相的算法

　　實現(xiàn)相位跟蹤的辦法很多，一種方法是用市電電壓作為同步信號，這種方法實現(xiàn)比較簡單，可以在極短的時間內鎖定相位，但由于市電電壓不是標準的正弦波。將會使頻率發(fā)生偏差。常用的鎖相方式是將相位差轉變?yōu)殡妷?，再用這個電壓去控制一個壓控振蕩器來實現(xiàn)的。模擬鎖相（APLL）和數字鎖相（DPLL）的基本結構是類似的，包括鑒相器（PD）、低通濾波器、壓控／數控振蕩器（VCO／DC0）和分頻器4個部分，如圖1所示。數字鎖相的實現(xiàn)有很多種方法，比如單周期數字PLL的控制等。

　　對于UPS來說，基本的鎖相電路可以得到一個與輸入電壓相位頻率一致的信號真φo，然后以信號φo去調節(jié)逆變器的參考正弦波電壓信號。其結果是，輸出電壓可以和輸入電壓保持頻率一致，但有一個固定的相位差。這是因為受逆變器采樣環(huán)節(jié)、校正環(huán)節(jié)、輸出濾波器及負載等很多因素的影響所致。本文所采用的PLL的結構如圖2中虛線框內所示，輸入相位信φi為市電相位，反饋相位信號φc為逆變器輸出電容電壓相位。

　　鑒相器輸出一個與相位差成比例關系的結果，比例系數為Kd，則有：

　　濾波器的脈沖傳遞函數設為F（z），可以采用巴特沃思、契比雪夫等濾波器，也常使用比例積分環(huán)節(jié)或其他環(huán)節(jié)來代替低通濾波器。本文采用的是一個比例積分環(huán)節(jié)，即：

　　這里，數控振蕩器是借用了通常習慣使用的名稱，實際上并沒有一個振蕩的部件，而是一個比例放大環(huán)節(jié)，φf比例放大后與輸入信號周期（Tin）相加得到鎖相輸出信號周期To=Tin+Koφf，輸出相位為φ=Koφf設鎖相環(huán)外部的環(huán)節(jié)脈沖傳遞函數為G（z），則整個系統(tǒng)的脈沖傳遞函數為：

　　在這個UPS中，由實際電路和程序確定C（z）的表達式是比較困難的，設計的時候可以根據逆變器的仿真結果近似確定G（z）為一個延時很小的遲滯環(huán)節(jié)或者干脆忽略其影響。

　　2 用DSP實現(xiàn)的數字鎖相

　　DSP是一種獨特的微處理器，是以數字信號來處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉換為0或1的數字信號。再對數字信號進行修改、刪除、強化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數字數據解譯回模擬數據或實際環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度可達每秒數以千萬條復雜指令程序，遠遠超過通用微處理器，是數字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強大數據處理能力和高運行速度，是值得稱道的兩大特色。

　　鎖相的環(huán)節(jié)中只有鑒相器的相位檢測是由硬件電路完成，其它均在DSP中由軟件實現(xiàn)。相位檢測的電路如圖3所示，比較器U2B和外圍的一些元器件構成了一個帶回差的過零比較器?；夭畹拇笮≈饕Q于抗干擾考慮，逆變器開關時對控制電路的干擾是非常嚴重的，要求回差取得較大為好，但過大的回差會造成相位檢測誤差增大，所以，回差大小的選擇需要折巾考慮。實際電路中。過零附近由于干擾的存在，輸出為一段電平在“0”和“1”之間反復高頻翻轉的信號，所以，在程序的相位檢測中需要進行去抖動的處理。

　　頻率的大小在程序中是由兩次過零信號之間的計數值來確定的，也就是用汁數值來表示的周期值。計數在每個中斷周期進行，每個計數的單位代表50μs，20ms為400個計算單位，相位差也是由計數得到。為了防止逆變器輸出頻率過大或者過小，必須對輸出周期的計算結果進行幅度限制。同時也應該限制凋整幅度的大小，以避免輸出頻率的劇烈變化。

　　PLL子程序的還包括了圖2中的參考波形發(fā)生部分，整個的程序流程如圖4所示。

　　3 實驗結果

　　用以上的方法在TMS320F240中實現(xiàn)了逆變器輸出與市電輸入的鎖相，鎖相的結果由TDS210型示波器拍得，如圖5所示。圖5中幅度較高的2為逆變器輸出電壓波形，用100：1的探頭測得，幅度較低的1為輸入市電波形，是用500：1的差分探頭同時測得（由于示波器沒有500：1的探頭設置。測量時此通道當作是1：1的探頭，所以，實際上波形1的對應的示波器量度為250V／p，而不是圖中所顯示的500mV／p）。

　　從圖5可以清楚地看到鎖相的過程，初始的時候逆變器輸出相位超前于市電，所以，用比較大的輸出周期來逐步鎖定輸入電壓相位，鎖定之后則以輸入電壓相同的周期輸出，實現(xiàn)了同頻同相。

　　4 結語

　　本文分析和討論了逆變器中的數字鎖相技術，并用DSP實現(xiàn)了逆變器的數字鎖相，實驗表明，逆變器輸出能夠很好地實現(xiàn)同步鎖相，使得UPS能夠在逆變供電與旁路供電之間安全切換，提高了UPS電源系統(tǒng)供電的可靠性。

參考文獻:

[1]. U2B datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/U2B_2041187.html.
[2]. TMS320F240 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/TMS320F240_309662.html.