基于DSP的软件锁相环的实现.doc

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洪君, 黄沃林, 罗剑
(广州骏发电气有限公司, 广东广州511400)
    摘要  针对传统锁相环存在硬件电路复杂、易受外界环境干扰及锁相精度不高等问题,介绍了一种基于数字处理器TMS320F2812 实现对电网电压软件锁相功能的设计方案,并给出了过零检测电路和部分软件设计流程图。通过实验证明,软件锁相环能够对基波及一定频率范围内的谐波电压实现准确的相位锁定,由于软件锁相环功能主要由DSP完成,简化了硬件电路,具有更强的抗干扰能力和实际应用效果。
    关键字  软件锁相环;过零检测;相位捕捉
    Abstract  
    Keywords  
    
0 引言
准确获取电网基波及谐波电压的相位角,在变频器、有源滤波器等电力电子装置中具有重要的意义,通常需要采用锁相环得以实现。传统锁相环电路一般由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器及分频器组成,其工作原理是通过鉴相器将电网电压和控制系统内部同步信号的相位差转变成电压信号,经环路滤波器滤波后控制压控振荡器,从而改变系统内部同步信号的频率和相位,使之与电网电压一致。传统锁相环存在硬件电路复杂、易受环境干扰及锁相精度不高等问题,随着大规模集成电路及数字信号处理器的发展,通过采用高速DSP 等可编程器件,将锁相环的主要功能通过软件编程来实现。本文设计的锁相环控制系统采用数字处理器TMS320F2812 芯片实现对电网基波及特定次谐波电压相位的跟踪和锁定。
1 软件锁相环的设计方案
工作流程
基于DSP的软件锁相环设计此方案的基本思路是通过采样电压过零点获取同步信号,采用DSP 内部定时器的循环计数产生同步信号来实现压控振荡器和分频器的功能,即通过改变定时器的周期或最大循环计数值的方法来改变同步信号的频率和相位,同时对电压进行A/D 转换及数据处理,得出基波及谐波电压的相位与频率,调整SPWM 正弦表格指针地址完成对基波及谐波电压的锁相功能,其工作流程如图1 所示。
通常,过零信号可以通过检测电网三相电压中任一相的过零点获取。在图1 中,以检测A相电压过零点作为过零信号,将通过上升沿捕捉及软件滤波后产生的中断作为采样周期同步信号,当DSP内部时钟倍频后产生的中断在捕获到输入电压信号在过零点时,将发正弦信号的指针归零,以保证输入电压信号过零时DSP发出的基准正弦信号也同步过零,从而实现相位同步。本文采用SPWM 触发模式,基准正弦信号是一个正弦数据表格,控制逆变器输出的基准点;同时采样电压信号,经DSP进行FFT计算分析其相位和频率、基波及谐波与A相电压过零点相位差,通过修改定时器周期寄存器来改变SPWM 输出时正弦波的频率;以修改比较寄存器来改变SPWM 输出时正弦波的相位,这样完成了对基波及谐波电压的相位锁定。
过零检测电路的设计
过零信号对系统相位捕捉的精准性影响较大,系统设计时采用软硬件结合的办法实现对过零信号的捕捉。获取过零信号实质上是为了给系统提供一个同步信号,即每次信号过零时启动A/D转换。在本设计中,过零检测电路采集A相电压每个周期的过零点作为系统产生的中断信号CAP1,使中断服务程序开始执行,图2 为电压信号过零检测电路。
图2 中,在比较器芯片LM339 的输出端选择加装了上拉电阻,主要是考虑到整个电路对驱动、功耗