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2013年5月15日
数字锁相技术的广泛应用
摘要:锁相技术在调制和解调、频率合成电路等很多领域应用极其广泛,随着技术的发展,尤其是数字技术的发展,形成了一种高动态数字锁相环的设计方法。

采用EDA 技术,结合FPGA 芯片特点,运用硬件描述语言对数字锁相环进行了优化设计,这使得锁相技术的应用更为广泛。

采用数字化锁相技术、RC 低通滤波和谐波补偿处理等方法,可以实现交流电压信号的准确与快速的实时采集,为应急电源的正确、快速切换控制奠定了基础。

面对单相有源功率因数校正(APFC)电路电流畸变的问题,利用数字锁相环技术可以解决电流过零点以及峰值畸变的问题。

针对并网电流和电网电压的相位偏差做主动相位调整功能的问题提出了一种基于两者相位偏差的进行主动相位调整的新型数字锁相环技术,在实践中证明有很好的效果。

关键词:数字锁相技术,应急电源,电压采样,光伏并网逆变器
1.引言
锁相环( phase - locked loop) 技术在调制和解调、调频和解调、频率合成电路和时钟同步等很多领域应用极其广泛。

以前的锁相环通常采用模拟锁相环设计,由于容易受到电路物理特性影响等原因,导致故障率相对较多,逐渐被数字锁相环技术取代,同时随着集成电路技术的发展,采用可编程逻辑器件FPGA( FieldProgrammable Gate Array) 设计数字系统,把整个数字系统的功能集成到一款芯片实现系统SOC 已变得越来越普及。

因此,本文采用FPGA 控制为核心,设计数字锁相环DPLL( digital phase - locked loop) ,其可靠性高、体积小的优点,在系统设计中具备极大的实用价值。

现在对应急电源性能的要求越来越高,交流电压信号实时采集和信号处理获得高质量交流电压信号,它是应急电源进行实时性控制的基本要求,在基于数字锁相同步基础上,进行
交流电压信号的实时采集和处理,通过这些技术,实现了交流电压信号的准确与快速的实时采集,为应急电源的正确、快速切换控制奠定了基础。

传统的APFC 控制电路容易受到外电路的影响,电流环给定并非纯正弦波,会导致功率因数降低,引入单相数字锁相环技术对输入电压进行采样以减小电流失真度,实现功率因数调节。

在可再生能源不断减少的今天,太阳能的研究利用显得日益重要,其中太阳能光伏利用受到世界各国的普遍关注,而太阳能光伏并网发电是太阳能光伏利用的主要发展趋势,必将得到快速的发展。

光伏并网发电的效率高低就是看光伏并网发电的电流是否和电网电压同频同相,锁相环技术就是使光伏并网发电的电流和电网电压同频同相的技术。

本文基于单相两级式光伏发电系统,对一种新型数字锁相环技术[1]进行了研究。

2.锁相环的基本原理
锁相环主要由鉴相器、环路滤波器和振荡器构成,用于实现系统输出时钟和某一外部时钟相位同步。

锁相环可以对输出信号频率自动跟踪,仅当输出信号的频率与输入信号的频率相同时,输出电压与输入电压相位差值固定,即被锁住,得到最终输出时钟,如图1 所示。

图1 锁相环基本结构
数字锁相环中使用的环路滤波器与模拟锁相环中使用的功能一样,主要用于对误差电压U d进行低通滤波,因此环路滤波器参数对环路性能影响极大。

同时,它还有校正环路的功能,对环路的稳定、噪声的滤除和环路带宽都有极大的影响,因此非常重要。

图2 所示为数字锁相FPGA 设计原理图,整个系统的工作方式: Phdetector 模块用于比较输入信号fin和输出信号fout的相位差,输出误差信号er; Nlf_K 模块用于消除相位误差信号er 中的高频分量,产生标志信号; FBCounter 模块用于根据进位标志信号( fo) 和借位标志信号( ba) 进行输出脉冲调整; Nlength 模块用于对输入信号周期进行计数,自动量化输出N 值; Ndivider模块用于对输入信号进行N 分频。

图2 锁相环FPGA 设计原理图
3.基于数字锁相技术的交流采样及其信号处理
在基于数字锁相同步基础上,通过采用瞬时交流采样电路、实时信号采集和处理最终获
得高质量交流电压信号,实现了交流电压信号的准确与快速的实时采集,为应急电源的正确、
快速切换控制奠定了基础。

图7 为市电断电后,DSP 逆变控制系统迅速作出判断并投切入
应急电源的实际波形。

因市电中断或故障的发生时刻是随机的和非预知的,检测确认市电故
障需要时间,此时的切换时间不可能小于检测、确认市电故障需要的时间。

为防止各种电源
干扰导致误动作,检测时间取为2ms,从图7 可见瞬时交流采样法满足了应急电源快速判断、
切换的需要。

图7
这些处理技术还可以应用于其他交流采样的场合,如电网质量的监测等,它可以提高分析的精度。

4.数字锁相技术在APFC 电压采样中的应用
4.1硬件设计
系统控制器采用TMS320F2812,该芯片A /D输入为0-3.3V 的电压信号,故需将采样得到的电网交流电压信号转化为0-3.3V 的电压信号。

电压转换可以通过在采样信号上叠加1.65V 直流分量来实现,硬件电路如图6 所示。

由图6 得到输入DSP2812 的AD 检测口电压为:
取R1、R3、R5 及R6 为10kΩ,R2、R4、R7 为20kΩ,则V INDSP=3.32 +V AC。

交流信号波形与经过处理的采样波形如图7 所示,实验波形符合上式计算结果。

将采样处理后的电压信号在数字信号处理器内完成异或功能,将第一位符号位进行逻辑变换,转换为交流信号值存储在寄存器中,处理原理如图8 所示。

4.2软件设计
采用TMS320F2812 数字信号处理器实现数字锁相环,在RAM 中建立一个512 个字节的数组用于存放数据。

设定采样电网电压为正弦基波,将其保存在RAM 中,并且将指针后移128 位作为余弦量。

将反馈的相位信号进行Q 格式变换,以加快运算速度,同时根据设计的巴特沃斯数字滤波器完成对高频分量进行滤除。

图9 所示为数字锁相环的软件设计流程。

4.3实验结果
采用数字信号处理器完成数字锁相环设计,完成对输入电压的锁相,从DSP 编译环境WatchWindow 中观察实验波形如图10、11 所示。

图10 为未加入锁相环时输入电压的波形,由于寄生参数及采样偏差的影响,采样得到的输入电压中存在谐波影响。

图11 为加入锁相环后的电压采样波形,实验结果表明数字锁相环明显改善了输入电压波形的畸变。

5.基于新型数字锁相技术的光伏并网逆变器
数字锁相环的过程分为频率跟踪和相位同步两部分[11]。

(1) 频率跟踪的实现过程。

根据电网电压频率的允许波动范围( 50 ± 1) Hz,由于通用定时器1 设为递增计数模式,64 分频。

50 Hz 对应的计数器T1CNT 的值为12 500,则( 50 ± 1) Hz 对应计数器的变化范围是12 279 ~ 12 755。

当电网电压上升沿捕获中断时,读取CAP2FIFO 的值,通过相应转换得到当前电网电压的频率,用这个频率值来改变等腰三角载波的周期,即周期寄存器T3PR,以改变输出并网电流的周期,从而达到实现频率跟踪的目的[12]。

( 2) 相位同步的实现过程。

在对应的中断中,读取CAP2FIFO 的值得到电网电压的频率,读取CAP1FIFO 的值得到并网电流的频率,通过计算两者的数值差得到两者的相位差,用该值去调整输出正弦表指针的起始值,从而实现相位同步[13-14]。

采用新型数字锁相技术后进行逆变并网的实验波形见图7。

从实验波形可以看出,采用新型数字锁相环技术后并网电流和电网电压之间的相位差几乎为零,达到了同频同相输出。

6.结语
数字锁相技术的发展使其应用更加广泛,本文通过列举数字锁相技术的几个应用,介绍了数字锁相技术相对于传统锁相技术的优点。

参考文献
[1]胡建萍,张欣舒.数字锁相技术的研究与实现.<<通信电源技术>>.2011/03
[2]涂建坤;沈奶连;王建财;李春锋.数字锁相技术在光纤衰减检测中的应用..<<现代
传输>>.2011/03
[3]丁中梁;黄础;胡天友.基于新型数字锁相技术的光伏并网逆变器.<<实验室研究与索>>2012/04
[4]刘攀;高艳霞;杨郑浩.数字锁相技术在APFC电压采样中的应用.《电气传动自动化》2012/06。

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