準(zhǔn)確獲取電網(wǎng)基波及諧波電壓的相位角，在變頻器、有源濾波器等電力電子裝置中具有重要的意義，通常需要采用鎖相環(huán)得以實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)鎖相環(huán)電路一般由鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器及分頻器組成，其工作原理是通過(guò)鑒相器將電網(wǎng)電壓和控制系統(tǒng)內(nèi)部同步信號(hào)的相位差轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，經(jīng)環(huán)路濾波器濾波后控制壓控振蕩器，從而改變系統(tǒng)內(nèi)部同步信號(hào)的頻率和相位，使之與電網(wǎng)電壓一致。傳統(tǒng)鎖相環(huán)存在硬件電路復(fù)雜、易受環(huán)境干擾及鎖相精度不高等問(wèn)題，隨著大規(guī)模集成電路及數(shù)字信號(hào)處理器的發(fā)展，通過(guò)采用高速DSP 等可編程器件，將鎖相環(huán)的主要功能通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文設(shè)計(jì)的鎖相環(huán)控制系統(tǒng)采用數(shù)字處理器TMS320F2812 芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)基波及特定次諧波電壓相位的跟蹤和鎖定。

　　1 軟件鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)方案

　　1.1 工作流程

　　基于DSP的軟件鎖相環(huán)設(shè)計(jì)此方案的基本思路是通過(guò)采樣電壓過(guò)零點(diǎn)獲取同步信號(hào)，采用DSP 內(nèi)部定時(shí)器的循環(huán)計(jì)數(shù)產(chǎn)生同步信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)壓控振蕩器和分頻器的功能，即通過(guò)改變定時(shí)器的周期或最大循環(huán)計(jì)數(shù)值的方法來(lái)改變同步信號(hào)的頻率和相位，同時(shí)對(duì)電壓進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理，得出基波及諧波電壓的相位與頻率，調(diào)整SPWM 正弦表格指針地址完成對(duì)基波及諧波電壓的鎖相功能，其工作流程如圖1 所示。

　　通常，過(guò)零信號(hào)可以通過(guò)檢測(cè)電網(wǎng)三相電壓中任一相的過(guò)零點(diǎn)獲取。在圖1 中，以檢測(cè)A相電壓過(guò)零點(diǎn)作為過(guò)零信號(hào)，將通過(guò)上升沿捕捉及軟件濾波后產(chǎn)生的中斷作為采樣周期同步信號(hào)，當(dāng)DSP內(nèi)部時(shí)鐘倍頻后產(chǎn)生的中斷在捕獲到輸入電壓信號(hào)在過(guò)零點(diǎn)時(shí)，將發(fā)正弦信號(hào)的指針歸零，以保證輸入電壓信號(hào)過(guò)零時(shí)DSP發(fā)出的基準(zhǔn)正弦信號(hào)也同步過(guò)零，從而實(shí)現(xiàn)相位同步。本文采用SPWM 觸發(fā)模式，基準(zhǔn)正弦信號(hào)是一個(gè)正弦數(shù)據(jù)表格，控制逆變器輸出的基準(zhǔn)點(diǎn);同時(shí)采樣電壓信號(hào)，經(jīng)DSP進(jìn)行FFT計(jì)算分析其相位和頻率、基波及諧波與A相電壓過(guò)零點(diǎn)相位差，通過(guò)修改定時(shí)器周期寄存器來(lái)改變SPWM 輸出時(shí)正弦波的頻率;以修改比較寄存器來(lái)改變SPWM 輸出時(shí)正弦波的相位，這樣完成了對(duì)基波及諧波電壓的相位鎖定。

　　1.2 過(guò)零檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

　　過(guò)零信號(hào)對(duì)系統(tǒng)相位捕捉的精準(zhǔn)性影響較大，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用軟硬件結(jié)合的辦法實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)零信號(hào)的捕捉。獲取過(guò)零信號(hào)實(shí)質(zhì)上是為了給系統(tǒng)提供一個(gè)同步信號(hào)，即每次信號(hào)過(guò)零時(shí)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。在本設(shè)計(jì)中，過(guò)零檢測(cè)電路采集A相電壓每個(gè)周期的過(guò)零點(diǎn)作為系統(tǒng)產(chǎn)生的中斷信號(hào)CAP1，使中斷服務(wù)程序開(kāi)始執(zhí)行，圖2 為電壓信號(hào)過(guò)零檢測(cè)電路。

　　圖2 中，在比較器芯片LM339 的輸出端選擇加裝了上拉電阻，主要是考慮到整個(gè)電路對(duì)驅(qū)動(dòng)、功耗和速度的要求。電阻R7和R8構(gòu)成一個(gè)滯回比較器，輸出信號(hào)通過(guò)反饋電阻R7 改變同相端的參考電壓，以消除輸入信號(hào)正反過(guò)零產(chǎn)生的抖動(dòng)。

　　1.3 過(guò)零捕捉的軟件實(shí)現(xiàn)

　　過(guò)零檢測(cè)主要解決的是采樣同步問(wèn)題，當(dāng)檢測(cè)到的電壓信號(hào)由負(fù)到正過(guò)零時(shí)，比較器芯片LM339 輸出端產(chǎn)生上升沿，將此信號(hào)輸入到DSP2812 事件管理器EVA 的引腳CAP1。引腳CAP1 在系統(tǒng)初始化程序中預(yù)設(shè)置為上升沿觸發(fā)中斷，因此當(dāng)過(guò)零信號(hào)到來(lái)時(shí)，CAP1中斷子程序開(kāi)始執(zhí)行，開(kāi)啟事件管理器EVA 的TIMER 周期中斷，周期設(shè)置為駐T/128 s(每周期采樣128 個(gè)點(diǎn))，觸發(fā)A/D 模塊采樣。其中，駐T 為CAP1 捕捉到的兩個(gè)過(guò)零檢測(cè)信號(hào)上升沿的間隔時(shí)間，等于電網(wǎng)待測(cè)信號(hào)的周期T，圖3 為過(guò)零中斷程序的流程。

　　DSP 的捕獲單元CAP隸屬于事件管理器，它能夠捕捉到CAP 外部引腳的跳變，當(dāng)捕捉到對(duì)應(yīng)引腳發(fā)生特定的跳變時(shí)，觸發(fā)相應(yīng)的中斷，并將定時(shí)器的值存入一個(gè)兩級(jí)深的FIFO堆棧中。本方案設(shè)計(jì)每16 點(diǎn)啟動(dòng)一次數(shù)據(jù)分析，同時(shí)投出一次控制量，這個(gè)過(guò)程為一個(gè)更新周期，判斷標(biāo)志ctrl 用來(lái)檢測(cè)是否進(jìn)入新的更新周期，以判斷是否需要啟動(dòng)新一輪數(shù)據(jù)分析和投出控制量。標(biāo)志位dft用來(lái)判斷當(dāng)前數(shù)據(jù)分析狀態(tài)，為0 時(shí)表示重新初始化數(shù)據(jù)分析操作，為1 時(shí)表示數(shù)據(jù)分析操作完畢，為2 時(shí)表示允許啟動(dòng)新一輪數(shù)據(jù)分析，為3 時(shí)表示當(dāng)前正在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。圖4 給出了捕獲單元的軟件流程。

　　1.4 過(guò)零信號(hào)的軟件濾波