基于单片机的UPS数字化锁相技术

摘要：为了使运行中的不间断电源(UPS)保持输入、输出的电压、频率和相位一致性，结合锁相环原理，并利用单片机实现了高精度的数字锁相环。通过捕获中断和周期中断获取的输入、输出相差，经过分段式变PI控制器，计算出载波周期的补偿量，采用分组线性插补再调制技术，改变了每个载波周期值，从而实现了高精度数字锁相功能。在此，给出了硬件实现电路及软件流程图。通过实验验证了该方案的可行性。

关键词：不间断电源;数字;锁相环控制

1 引言

随着信息技术的迅速发展和计算机的日益普及，对电源系统供电质量和可靠性的要求越来越高，不间断电源(UPS)的应用也越来越广泛。在运行时，要求UPS的输出电压、频率和相位都与市电保持一致，这样才能在市电发生变化时保证UPS向负载提供不间断、稳定的电能，且不对负载产生过大的冲击。所以，UPS中的逆变器须有锁相环节，以保证UPS与市电的同步。同步锁相控制应具备下述功能：

①当电网频率满足精度要求时，使逆变器与电网同步运行;

②当电网频率超出精度要求范围或电网发生故障时，使逆变器与内部高精度的基准频率同步运行。此外，两种状态之间的转换要平稳，以免造成转换过程中逆变器工作频率的剧烈抖动。

锁相可分为模拟锁相和数字锁相。与传统的模拟锁相相比，数字锁相不仅能简化硬件电路的设计，降低成本，还可解决模拟电路中需要调整电路参数，以及器件的老化和温漂等问题，大大提高了电路的可靠性和锁相精度。在此，讨论了逆变器的输出电压数字锁相技术[1,2]。

2 数字锁相环

2.1 锁相原理

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。图1示出普通的模拟锁相环控制框图。它由鉴相器(PD)、低通滤波器 (LPF)和压控振荡器(VCO)组成。通过将VCO的输出电压信号uout(t)和电网电压的采样信号uin(t)这两路频率与相位不同的信号送入鉴相器，生成误差信号Ue(t)，该信号是相位差的线性函数。ue(t)经过低通滤波器后输出电压信号UD(t)。VCO在uc(t)的控制下将改变uout(t)的频率和相位，以减小uout(t)的频率和相位差。

在UPS的数字化控制中，传统的模拟锁相环改变为用软件实现的数字锁相环。旁路电压ub和逆变器的输出电压uoi分别经过过零检测电路转换为方波信号，单片机的捕获单元在捕获到方波信号每个上升沿到来时，读取定时器的计数值。图2示出电压捕获示意图。

旁路电压ub和逆变器的输出电压uoi这两个捕获单元共用一个定时器的计数器，计数器溢出时自动清零。用每一次的旁路电压上升沿时刻减去之前的输出电压上升沿时刻即为uoi与ub的相位差。图3示出数字锁相的实现。

2.2 数字锁相方法

对采用SPWM 控制的逆变器，可固定载波比N(N=fc/f1)，通过改变三角载波周期Tc，即频率fc，可改变输出的交流电压基波频率f1。这里正是采用这种方法来调节逆变器的输出电压和输出频率，从而相应地调节相位，以完成逆变器输出频率的相位跟踪市电的锁相过程。在图3中，若Td ，则uoi的相位超前ub，需要增大逆变器的输出载波周期T1PR值;反之若Td>T/2，则uoi的相位滞后ub，需要减小逆变器的输出载波周期T1PR值，直至Td在允许范围内，即实现了锁相。