基于DSP 28335的軟件鎖相環(huán)及其在PWM整流器中的應(yīng)用

楊 華

（海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430033）

基于DSP 28335的軟件鎖相環(huán)及其在PWM整流器中的應(yīng)用

楊 華

（海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430033）

準(zhǔn)確獲得電網(wǎng)電壓的相位角，在電力電子裝置設(shè)計(jì)中有重要的意義。文中研究了基于D-Q變換的三相鎖相環(huán)系統(tǒng)原理，并深入分析了基于DSP28335對(duì)其進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的方法，提出一種基于DSP28335實(shí)現(xiàn)的全數(shù)字化三相軟件鎖相環(huán)，并將此鎖相環(huán)應(yīng)用于PWM整流器中，仿真與試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的三相軟件鎖相環(huán)以及基于DSP28335工程實(shí)現(xiàn)方法的有效性與可行性。實(shí)際應(yīng)用證明了軟件鎖相環(huán)的優(yōu)越性，同時(shí)也突出體現(xiàn)了DSP28335的優(yōu)良性能。

電力電子 鎖相環(huán) 數(shù)字化 PWM整流器

0 引言

在設(shè)計(jì)某些電力電子裝置（如UPS、有源濾波器、PWM整流器等）時(shí)，準(zhǔn)確而又快速地獲得三相電網(wǎng)電壓的相位角是保證整個(gè)系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能的前提條件，若無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的電網(wǎng)電壓相位跟蹤，則整個(gè)裝置的性能無(wú)從談起。故研究準(zhǔn)確實(shí)時(shí)、可靠并且實(shí)現(xiàn)方便的鎖相環(huán)（PLL）是非常有必要的[1]。

目前較為廣泛應(yīng)用的方法是利用模擬鎖相環(huán)進(jìn)行鎖相、利用脈沖計(jì)數(shù)法測(cè)量頻率。但是模擬鎖相環(huán)有直流零點(diǎn)漂移、部件飽和、須進(jìn)行初始化校正，且有假鎖、失鎖、抖動(dòng)、可靠性低等問(wèn)題；脈沖計(jì)數(shù)法測(cè)量頻率對(duì)計(jì)數(shù)脈沖的頻率要求較高，并且由于計(jì)數(shù)器只能進(jìn)行整數(shù)計(jì)數(shù)從而會(huì)引起的一個(gè)脈沖的誤差。更為重要的是，這二種方法都依賴(lài)過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻的檢測(cè)，由于過(guò)零點(diǎn)在每半個(gè)周期只出現(xiàn)一次，兩點(diǎn)間不能獲得相位信息，而且在電力系統(tǒng)中由于諧波與噪聲的存在，使得信號(hào)零點(diǎn)與基波零點(diǎn)不一致，或者更為甚者在基波零點(diǎn)附近有多個(gè)信號(hào)過(guò)零點(diǎn)，從而使得應(yīng)用該方法得到的檢測(cè)值將產(chǎn)生較大的誤差。

全數(shù)字鎖相環(huán)與模擬鎖相環(huán)相比具有性能穩(wěn)定、工作可靠和易于集成等優(yōu)點(diǎn)，因此在數(shù)字通信和自動(dòng)控制等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[2,3]。傳統(tǒng)的鎖相環(huán)是由硬件電路實(shí)現(xiàn)的，隨著微處理器運(yùn)算速度的提高，用軟件實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)成為一種趨勢(shì)，與前者相比，后者更容易與整體控制方法相配合，具有更高的精度和穩(wěn)定性。特別是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的基于D-Q變換檢測(cè)相位和頻率信息的三相PLL，動(dòng)態(tài)特性較理想，能夠滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求，對(duì)不對(duì)稱(chēng)、諧波也有較好的抗干擾能力。對(duì)于此種三相PLL，非常適合采用DSP技術(shù)以軟件方式實(shí)現(xiàn)[4]，之前由于DSP多為定點(diǎn)型，而且資源等有效，故限制了其部分應(yīng)用，但是隨著TI公司浮點(diǎn)DSP 28335的廣泛應(yīng)用，此問(wèn)題可以得到較好的解決，其支持浮點(diǎn)算法，并且主頻可以達(dá)到150 MHz，由于DSP 28335 其獨(dú)特的性能，其已經(jīng)在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，故進(jìn)一步研究基于DSP 28335 的三相軟件鎖相環(huán)（SPLL）是非常有實(shí)用價(jià)值的。

綜上所述，本文研究了基于浮點(diǎn)DSP的三相軟件鎖相環(huán)，并將其成功應(yīng)用于PWM整流器中，最后仿真與試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文所做工作的有效性與優(yōu)越性

1 三相軟件鎖相環(huán)工作原理

鎖相環(huán)是一個(gè)輸出信號(hào)能夠跟蹤輸入信號(hào)相位的閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。鎖相環(huán)最基本的結(jié)構(gòu)如圖1所示。它包括三個(gè)基本部件：鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LF）和壓控振蕩器（VCO）。其基本工作原理是鑒相器將輸入信號(hào)電網(wǎng)電壓和控制系統(tǒng)內(nèi)部同步信號(hào)的相位差信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓，經(jīng)過(guò)環(huán)路濾波器濾波后去控制壓控振蕩器，從而調(diào)整系統(tǒng)內(nèi)部同步信號(hào)的頻率和相位，使之和輸入信號(hào)電網(wǎng)電壓同步。

三相SPLL的基本工作原理是數(shù)字鑒相器將輸入的三相電壓信號(hào)和SPLL內(nèi)部同步信號(hào)的相位差轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷髁?，?jīng)過(guò)低通濾波器后去控制壓控振蕩器，從而調(diào)整系統(tǒng)內(nèi)部信號(hào)的頻率和相位，使之和輸入電壓的相位同步，如圖2所示。對(duì)應(yīng)于鎖相環(huán)的基本結(jié)構(gòu)，圖2中的虛線(xiàn)框里的變換相當(dāng)于鑒相器，即三相電壓變換為同步旋轉(zhuǎn)的直流量Ud、Uq，PI調(diào)節(jié)器相當(dāng)于環(huán)路濾波器，積分環(huán)節(jié)相當(dāng)于壓控振蕩器。ωref為壓控振蕩器的固有頻率，此處ωref=100 π，對(duì)應(yīng)于電網(wǎng)額定頻率。

1.1 D-Q 變換

D-Q 變換實(shí)際上由從靜止abc坐標(biāo)系到αβ坐標(biāo)系的變換和從αβ到d-q坐標(biāo)的變換組成，本文采用幅值不變坐標(biāo)變換，變換原理如圖3所示。

從a-b-c三相到α-β兩相的變換C32和從α-β靜止坐標(biāo)系到d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（基波同步速ω1）的變換Cdq如下：

設(shè)一個(gè)三相系統(tǒng), 經(jīng)過(guò)從a-b-c三相到α-β兩相的變換C32得到

再經(jīng)過(guò)從α-β靜止坐標(biāo)系到d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換Cdq得到

從式（5）可以看出，當(dāng)ω＝ω1時(shí)，矢量將落在d軸上，Ud＝Um，Uq＝0。由此可得，假若可以使Uq＝0恒成立，則就實(shí)現(xiàn)了三相系統(tǒng)的矢量與d軸的完全同步，也就實(shí)現(xiàn)了鎖相的功能。三相軟件鎖相環(huán)就是基于此原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的。

1.2環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的環(huán)路濾波器采用PI控制器，設(shè)PI控制器傳遞函數(shù)G(s)為：

式中K為比例系數(shù)，τ為積分常數(shù)。

則由圖可得Uq*到θ的閉環(huán)傳遞函數(shù)：

如果將上式等效為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的二階阻尼系統(tǒng)則有：

式中ωn是二階系統(tǒng)的自然頻率，ζ是阻尼比，并且有：

一般可通過(guò)調(diào)整閉環(huán)系統(tǒng)的帶寬，來(lái)使動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和抗擾能力達(dá)到最優(yōu)。

2 基于DSP28335的軟件鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)

TMS320F2000系列DSP融合了控制外設(shè)的集成功能與微處理器的易用性，具有強(qiáng)大的控制和信號(hào)處理能力以及C語(yǔ)言編程效率，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制算法，使該系列DSP在工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。特別是TI公司新推出的浮點(diǎn)型數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F28335，是在已有的DSP平臺(tái)上增加了浮點(diǎn)運(yùn)算內(nèi)核，在保持了原有DSP芯片優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，能夠執(zhí)行復(fù)雜的浮點(diǎn)運(yùn)算，可以節(jié)省代碼執(zhí)行時(shí)間和存儲(chǔ)空間，具有精度高、成本低、功耗小、外設(shè)集成度高、數(shù)據(jù)及程序存儲(chǔ)量大和A/D轉(zhuǎn)換更精確快速等優(yōu)點(diǎn)，為嵌入式工業(yè)應(yīng)用提供了更加優(yōu)秀的性能和更加簡(jiǎn)單的軟件設(shè)計(jì)。

用DSP對(duì)鎖相環(huán)進(jìn)行軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)，首先要將鎖相環(huán)中各個(gè)環(huán)節(jié)離散化。

2.1 D-Q變換的離散化

由式(1)、(2)、(3)可得：

而θ=tω，即相位角為角頻率的積分，此也為壓控振動(dòng)器的功能，在數(shù)字實(shí)現(xiàn)時(shí)其離散化數(shù)學(xué)模型如下所示：

式中，Ts為采樣周期，在實(shí)際軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，更好的節(jié)約CPU資源，則實(shí)現(xiàn)方法如下：

2.2 PI調(diào)節(jié)器的離散化

PI調(diào)節(jié)器在過(guò)程控制中應(yīng)用十分普遍，它使系統(tǒng)的被控物理量能夠迅速而準(zhǔn)確地?zé)o限接近于控制目標(biāo)，并能濾除高次諧波。其離散化模型介紹很多，在此不再贅述。在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，對(duì)于其積分離散等，也采用上述的簡(jiǎn)化算法，以節(jié)約CPU資源。

2.3基于DSP的三相軟件鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)

在上述離散化模型基礎(chǔ)上，可以構(gòu)架基于DSP實(shí)現(xiàn)的三相軟件鎖相環(huán)的整個(gè)流程，如圖5所示。

需要說(shuō)明的是，在程序初始執(zhí)行時(shí)，是用所有變量的初始化值來(lái)進(jìn)行計(jì)算，如果鎖相環(huán)參數(shù)合理并且收斂，則整個(gè)鎖相環(huán)會(huì)很快入鎖。另外，PI控制器輸出量要做限幅處理；

需要注意的是：在實(shí)施過(guò)程中，計(jì)算出θ（k）以后，必須對(duì)其值進(jìn)行處理，若θ（k）在0-2 π之間，則無(wú)須額外處理，若θ(k)超過(guò)2 π，則必須對(duì)其進(jìn)行處理，使其落入0-2 π之間，DSP28335直接支持處理函數(shù)fmod()，可以直接進(jìn)行調(diào)用并應(yīng)用。

3 在三相PWM整流器中的應(yīng)用

三相PWM整流器是先進(jìn)的整流方式，具有功率因數(shù)高、諧波干擾小、輸出直流穩(wěn)定以及可雙向傳輸能量等諸多優(yōu)良特性，已得到廣泛的應(yīng)用。該P(yáng)WM整流器在實(shí)現(xiàn)整流功能時(shí)，將取自電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)變成直流電，并維持直流電壓穩(wěn)定，在實(shí)現(xiàn)逆變功能時(shí)，將直流側(cè)能量反饋回交流側(cè)電網(wǎng)。為了實(shí)現(xiàn)其單位功率因數(shù)、低諧波污染運(yùn)行，必須對(duì)其交流電壓相位進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確跟蹤。

三相PWM整流器拓?fù)淙鐖D6所示，其整個(gè)控制系統(tǒng)由電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)組成，在實(shí)際工作時(shí)，首先由鎖相環(huán)計(jì)算得到交流電網(wǎng)的相位與頻率信息，并將此信息反饋給控制系統(tǒng)，則控制系統(tǒng)在維持直流電壓恒定的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)交流側(cè)單位功率因數(shù)以及波形正弦化控制。

在具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，除了鎖相環(huán)之外，整個(gè)裝置的電壓、電流采樣以及電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)等都由DSP 28335來(lái)實(shí)現(xiàn)，有以下幾點(diǎn)需要主要：首先就是三相交流電壓傳感器必須布置在交流斷路器或者接觸器之前，這樣在裝置未實(shí)際上電之前鎖相環(huán)可以先行計(jì)算；鎖相環(huán)采取累計(jì)入鎖與退鎖的策略，即連續(xù)N次鎖相成功后才認(rèn)為鎖相成功，同樣連續(xù)N次鎖相失敗后才退鎖并報(bào)警；三是只有鎖相環(huán)成功入鎖才能允許裝置進(jìn)入工作狀態(tài)，以確保裝置安全。

4 仿真與試驗(yàn)結(jié)果

在以上研究基礎(chǔ)上，進(jìn)行了仿真與試驗(yàn)測(cè)試，仿真結(jié)果如圖7所示。圖7（a）為a相電壓的d軸分量，圖7（b）為a相電壓的q軸分量，圖7 （c）為a相電壓與鎖相環(huán)計(jì)算輸出的相位角，其中幅值為2曲線(xiàn)為a相電壓，而幅值為1的曲線(xiàn)為鎖相環(huán)輸出相位角，從圖7可以看出，本文所設(shè)計(jì)鎖相環(huán)能迅速入鎖，并且鎖相之后非常穩(wěn)定、精確。

將此鎖相環(huán)應(yīng)用于50 kVA 三相PWM整流裝置中并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，圖8（a）為裝置穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中波形圖，曲線(xiàn)1為直流電壓，曲線(xiàn)2為a相交流電壓波形，曲線(xiàn)3為b相電流波形，曲線(xiàn)4為a相電流波形，可以看出，交流電流波形正弦化較好，總的諧波畸變?yōu)?.2%，并且交流電流與交流電壓同相位，實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)運(yùn)行。圖8（b）為裝置直流電壓升壓動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中波形圖，曲線(xiàn)1為直流電壓，曲線(xiàn)2為a相交流電壓波形，曲線(xiàn)4為a相電流波形，可以看出，在直流電壓指令升高時(shí)，直流電壓會(huì)迅速跟蹤指令值，交流電流在經(jīng)過(guò)小于一個(gè)半周期的動(dòng)態(tài)變化后迅速趨于穩(wěn)定。圖8 （c）為裝置直流電壓降壓動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中波形圖，曲線(xiàn)1為直流電壓，曲線(xiàn)2為a相交流電壓波形，曲線(xiàn)4為a相電流波形，可以看出，在直流電壓指令降低時(shí)，直流電壓會(huì)迅速跟蹤指令值，交流電流在經(jīng)過(guò)小于一個(gè)半周期的動(dòng)態(tài)變化后迅速趨于穩(wěn)定。試驗(yàn)結(jié)果充分證明了本文所設(shè)計(jì)軟件鎖相環(huán)的準(zhǔn)確性、快速性以及魯棒性。

5 結(jié)論

軟件鎖相環(huán)具有處理靈活的優(yōu)點(diǎn)，它擺脫了復(fù)雜的硬件電路設(shè)計(jì)，解決了許多模擬鎖相環(huán)遇到的難題，隨著高性能微處理器功能越來(lái)越強(qiáng)大，運(yùn)算速度越來(lái)越高，軟件鎖相環(huán)控制技術(shù)將應(yīng)用的更為廣泛。在高性能的DSP支持下，軟件鎖相環(huán)技術(shù)的使用越來(lái)越多，本文研究的基于d-q變換的三相軟件鎖相環(huán)算法，能夠?qū)崿F(xiàn)快速準(zhǔn)確鎖相，并能夠有效克服電網(wǎng)電壓波形畸變所產(chǎn)生的干擾，而且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，具有很好的使用價(jià)值。最后的仿真與實(shí)際應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文所做研究的有效性與正確性。

[1] Dr. Roland E Best. Phase-locked loops: theory, design, and applications [M]. New York: McGraw-Hill, 1984.

[2] 聶新義, 任敏華. USB通信中數(shù)字鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn). 計(jì)算機(jī)工程, 2006, 4(32): 269-271.

[3] 龐浩, 俎云霄, 王贊基. 一種新型的全數(shù)字鎖相環(huán).中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2003, 2(23): 37-41.

[4] 琚興寶, 徐至新, 鄒建龍, 陳方亮. 基于DSP的三相軟件鎖相環(huán)設(shè)計(jì). 通信電源技術(shù), 2004, 5(21): 1-4.

Applications of Software Phase Locked Loop to PWM Rectifier System Based on DSP28335

Yang Hua
(National Key Laboratory for Vessel Integrated Power System Technology, Naval University of Engineering, Wuhan 430033，China)

It is important to obtain phase of source voltage accurately in a design of power electronic equipments. The principles of three-phase Software Phase-Locked Loop(SPLL) based on D-Q transformation are studied deeply in this paper, and its realization method based on DSP28335 is illustrated, then a digital software three-phase PLL based on DSP28335 is proposed and applied into PWM rectifier system. Finally, simulation and experiment results verify the validity and feasibility of SPLL based on DSP28335 proposed in this paper. And practical application shows the superiority performance of software PLL and DSP28335.

power electronic; phase locked loop; digital; PWM rectifier

TN349

A

1003-4862（2013）11-0019-05

2013-05-16

楊華（1977-）, 男，碩士。研究方向：電力電子與電力拖動(dòng)。