基于單片機的UPS數(shù)字化鎖相技術(shù)

為了實現(xiàn)對電網(wǎng)電壓、頻率和相位的跟蹤，可利用一個比較器進行過零檢測，以提高抗干擾能力及保證檢測的快速性，工程上所用的比較器一般為滯環(huán)比較器。圖4示出過零檢測滯環(huán)比較器電路及其輸出波形。

為了實現(xiàn)鎖相，程序中采用了一個單增模式計數(shù)器，計數(shù)溢出后自動清零，由單片機的定時器TA來充當(dāng)。同時設(shè)定兩個寄存器ophs和kx。當(dāng)逆變器的輸出電壓上升沿發(fā)生觸發(fā)中斷時，將捕獲通道的計數(shù)值賦給ophs;同理，當(dāng)ub中斷時，將捕獲通道的計數(shù)值賦給kx，兩值相減即為相位差。

2.3 數(shù)字鎖相環(huán)路傳函

在數(shù)字鎖相控制中，圖1的環(huán)路濾波器用比例積分環(huán)節(jié)替代，壓控振蕩器變成數(shù)控振蕩器，并通過相位累加器予以實現(xiàn)。改變uoi的相位，以跟蹤輸入電壓的相位是非常困難的，因此在實際中一般通過改變逆變器的 頻率來達到跟蹤輸入電壓相位的目的。這里也正是采用這種方法來鎖相的，所以逆變器可等效為純積分環(huán)節(jié)。

為了保證穩(wěn)態(tài)時逆變器跟蹤電網(wǎng)相位的誤差為零，環(huán)路濾波器采用分段式變PI調(diào)節(jié)器，PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)表達式為： (1)

式中Kp,KI——比例環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)的系數(shù)

當(dāng)采樣周期很短時，映射到z域時有： (2)

在數(shù)字控制中，由文獻[3]可知，數(shù)控振蕩器的z域傳遞函數(shù)為： (3)

式中ω——輸入電壓角頻率

z-1——延時一個采樣周期

——積分環(huán)節(jié)，相當(dāng)于模擬鎖相環(huán)s域的傳遞函數(shù)1/s

T——鎖相環(huán)的采樣周期，T=2π/ω

針對環(huán)路各部分環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為： (4)

式中K1——比例環(huán)節(jié)P參數(shù)

K2——積分環(huán)節(jié)I參數(shù)

特征方程為：

z2+(K1+K2-2)z+(1-K1)=0(5)

根據(jù)離散系統(tǒng)奈奎斯特判據(jù)，環(huán)路穩(wěn)定的充分必要條件是閉環(huán)傳遞函數(shù)特征方程的特征根全部位于z平面的單位圓內(nèi)，解得環(huán)路的穩(wěn)定條件為K1> 0;K2>0;2K1+K24。由此可確定P和I的參數(shù)值。

2.4 數(shù)字鎖相程序

程序上安排單片機的兩個捕獲中斷程序及周期中斷程序，以完成檢測和計算任務(wù)。

(1)逆變輸出電壓捕獲中斷程序 該程序的任務(wù)是實現(xiàn)逆變器的輸出電壓過零點的檢測及時刻的讀取。當(dāng)CAP口捕獲到逆變器的輸出電壓對應(yīng)的方波上升沿時，進入CAP中斷程序，讀取TACH1的值，并賦給ophs，它代表了逆變器輸出電壓的相位值。

(2)旁路電壓捕獲中斷程序 該程序的任務(wù)是實現(xiàn)旁路電壓過零點的檢測及時刻的讀取，并且計算相差作為PI調(diào)節(jié)，得出載波周期的總調(diào)節(jié)量。當(dāng)CAP口捕獲到旁路電壓對應(yīng)的方波上升沿時，進入CAP中斷程序，讀取TACH0的值，并賦給Kx，它代表了旁路電壓的相位值。

相位差的計算公式為Phasemin=kx-ophs。當(dāng)相位差寄存器Phasemin超出鎖相誤差允許范圍時，通過數(shù)字PI調(diào)節(jié)器進行閉環(huán)控制，在此采用分段式變PI調(diào)節(jié)器得出鎖相調(diào)節(jié)量。