数字化软件锁相环设计

数字化软件锁相环设计

摘 要： 本文介绍一种数字化工频锁相方法。通过频率校正环节和相位校正环节分别计算出基波分量频率和初相及其与标准信号的误差，用以调整标准信号的频率和相位。该方法不需要闭环反馈，结构简单，其响应速度能够满足一般电力电子设备数字化控制的时间要求。

关键词：软件锁相环 过零检测

一、引言

软件锁相环设计是并联有源电力滤波器的一个重要环节，其谐波检测和谐波指令电流控制输出信号都必须建立在于电网电压同步的基础之上，以避免并网输出对电网冲击很大的电流和电压。因此软件锁相环的设计对于实现并网整流器的高可靠运行，起着至关重要的作用。

二、锁相环基本工作原理

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。一般的模拟锁相环控制框图如图1所示，由鉴相器(PD)、低通滤波器(LPF) 和压控振荡器(VCO) 组成。通过将压控振荡器的输出信号 与电网电压的采样信号 这两路频率和相位不同的信号送入鉴相器，生成误差信号 ，该信号是相位差的线性函数。 经过低通滤波器后输出 。压控振荡器在电压信号的控制下将改变输出电压信号 的频率和相位，以便使信号 和 的频率和相位差减小。

三、锁相环的软件实现

在数字化控制中，采用软件锁相环代替传统的模拟锁相环，以减小硬件电路对锁相过程中产生的误差。本文实现软件锁相环的方法是先调整谐波检测过程的同步信号频率和电网电压的频率一致，然后再调整相位，最终实现频率和相位的一致。这种方法在调整相位时可能会使输出波形有微小的变化，但可以保证频率基本稳定，控制方法简单、直观、稳态误差较小而且易控制。

软件锁相环中标准信号正弦值通过查表法得到，每周期分为 个点（以便在后面更改输出频率的时候可以比较方便）。本文设计中用 =256个点来描述一个标准工频周期的正弦函数，即采样频率为12.8 kHz。通过Dsp2407的T1计数器产生，以实现对谐波电流的滤波，补偿指令电流的产生和生成相应PWM脉冲。而当市电频率或相角有所变化时，如果需要继续保持对该频率的256个点的采样，就要通过软件锁相环的频率输出值适当改变T1计数器的采样频率和相位输出改变正弦表指针的位置，以达到频率和相角的同步。

1.调频环节

当检测到市电频率高于(低于)T1采样信号所对应的市电频率时，按照一定步长逐渐增大(减小)T1周期计时器的值，直到T1采样频率能满足对被检测的市电信号的256等分。

2.调相环节

在有源滤波控制程序中使用正弦查表法得到每个T1采样时刻的正弦值，所以必然会在程序中有一正弦指针时刻指向市电在该时刻的相角值。

当发现相位超前则调整查表指针，使输出滞后一定相位，反之使输出超前一定相位，这种方法可以计算出最大的锁相时间，所以就可以根据所要求的参数来确定最小相位调节幅度。并且最终锁相的稳态误差就是一个相位的基本调节单位。

此调相法不是直接在过零点来的时候直接指回正弦表的零位，因为这样在频率变化的情况下造成相位大幅变化后，直接指回零位，会在输出波形上有一个畸变。所以我们也通过在正弦表上的指针的位置来判断实际输出波形的相位和输入波形的相位差。

对于正弦表的循环：当正弦表走到最后的时候要归零，但是调相又让我们向前追赶，那样Sinpoint的指针很有可能超过向量的最大范围，所以我们要做一步防溢出的工作就是取余，所以要在调相后做Sinpoint=Sionpoint%n，同样取余也是件麻烦事，因此将数组取为2的n次方后，就可以改为：Sinpoint=Sionpoint&0FFh(n=8)。

四、信号检测电路硬件设计

为了实现对市电380V交流电压的周期和相位的跟踪，采用LM393迟滞过零比较器的过零检测电路，将变压器隔离的0-15v模拟采样信号整形为0-5v的矩形波，将此矩形波信号经电平转换芯片到0-3.3v信号送入到TMS320F2407的捕获单元CAP口，过零检测电路经过LM393后的过零检测方波信号。

五、试验结果

如图1所示，蓝色线表示电网电压信号，通过TMS320F2407的CAP口捕捉如图1所示为紫色线的过零检测方波信号，在DSP捕捉中断中通过如上所述的频率校正环节和相位校正环节调整标准信号的频率和相位，通过DA芯片TLV5620将调整后的同步信号输出至示波器黄色线显示，同步信号如图4黄色线所示，从图中可以清晰的看出，起始相位和电网相位有一定的误差，经过5个周期后，输出的同步信号基本上与电网电压信号同步，符合并联有源电力滤波器谐波检测和谐波指令电流控制输出的要求。

六、结论

本文所提出的采用基于过零检测电路的数字信号处理器TMS320F2407的软件锁相环的实现方法，可以很好地满足并联有源电力滤波器谐波检测和谐波指令电流控制输出的要求，如相位的跟踪精度和速度，波形失真度等。实验结果验证了方法的可行性和有效性。

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