0 导言
精确获取电网基涉及谐波电压的相位角，在变频器、有源滤波器等电力电子设备中具有重要的含义，一般需求选用锁相环
得以完结。传统锁相环电路一般由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器及分频器组成，其作业原理是经过鉴相器将电网电压和操控体系内部同步信号的相位差转变成电压信号，经环路滤波器滤波后操控压控振荡器，然后改动体系内部同步信号的频率和相位，使之与电网电压共同。传统锁相环存在硬件电路杂乱、易受环境搅扰及锁相精度不高级问题，跟着大规模%&&&&&%及数字信号处理器的开展，经过选用高速DSP 等可编程器材，将锁相环的首要功用经过软件编程来完结。本文规划的锁相环操控体系选用数字处理器TMS320F2812 芯片完结对电网基涉及特定次谐波电压相位的盯梢和确认。
1 软件锁相环的规划计划
1.1 作业流程
依据DSP的软件锁相环规划此计划的基本思路是经过采样电压过零点获取同步信号，选用DSP 内部守时器的循环计数发生同步信号来完结压控振荡器和分频器的功用，即经过改动守时器的周期或最大循环计数值的方法来改动同步信号的频率和相位，一起对电压进行A/D 转化及数据处理，得出基涉及谐波电压的相位与频率，调整SPWM 正弦表格指针地址完结对基涉及谐波电压的锁相功用，其作业流程如图1 所示。
一般，过零信号能够经过检测电网三相电压中任一相的过零点获取。在图1 中，以检测A相电压过零点作为过零信号，将经过上升沿捕捉及软件滤波后发生的中止作为采样周期同步信号，当DSP内部时钟倍频后发生的中止在捕获到输入电压信号在过零点时，将发正弦信号的指针归零，以确保输入电压信号过零时DSP宣布的基准正弦信号也同步过零，然后完结相位同步。本文选用SPWM 触发形式，基准正弦信号是一个正弦数据表格，操控逆变器输出的基准点;一起采样电压信号，经DSP进行FFT核算剖析其相位和频率、基涉及谐波与A相电压过零点相位差，经过修正守时器周期寄存器来改动SPWM 输出时正弦波的频率;以修正比较寄存器来改动SPWM 输出时正弦波的相位，这样完结了对基涉及谐波电压的相位确认。
1.2 过零检测电路的规划
过零信号对体系相位捕捉的精准性影响较大，体系规划时选用软硬件结合的方法完结对过零信号的捕捉。获取过零信号实质上是为了给体系供给一个同步信号，即每次信号过零时发动A/D转化。在本规划中，过零检测电路收集A相电压每个周期的过零点作为体系发生的中止信号CAP1，使中止服务程序开端履行，图2 为电压信号过零检测电路。
图2 中，在比较器芯片LM339 的输出端挑选加装了上拉电阻，首要是考虑到整个电路对驱动、功耗和速度的要求。电阻R7和R8构成一个滞回比较器，输出信号经过反应电阻R7 改动同相端的参阅电压，以消除输入信号正反过零发生的颤动。
1.3 过零捕捉的软件完结
过零检测首要处理的是采样同步问题，当检测到的电压信号由负到正过零时，比较器芯片LM339 输出端发生上升沿，将此信号输入到DSP2812 事情管理器EVA 的引脚CAP1。引脚CAP1 在体系初始化程序中预设置为上升沿触发中止，因而当过零信号到来时，CAP1中止子程序开端履行，敞开事情管理器EVA 的TIMER 周期中止，周期设置为驻T/128 s(每周期采样128 个点)，触发A/D 模块采样。其间，驻T 为CAP1 捕捉到的两个过零检测信号上升沿的间隔时间，等于电网待测信号的周期T，图3 为过零中止程序的流程。
DSP 的捕获单元CAP隶属于事情管理器，它能够捕捉到CAP 外部引脚的跳变，当捕捉到对应引脚发生特定的跳变时，触发相应的中止，并将守时器的值存入一个两级深的FIFO仓库中。本计划规划每16 点发动一次数据剖析，一起投出一次操控量，这个进程为一个更新周期，判别标志ctrl 用来检测是否进入新的更新周期，以判别是否需求发动新一轮数据剖析和投出操控量。标志位dft用来判别当时数据剖析状况，为0 时表明从头初始化数据剖析操作，为1 时表明数据剖析操作结束，为2 时表明答应发动新一轮数据剖析，为3 时表明当时正在进行数据剖析。图4 给出了捕获单元的软件流程。
1.4 过零信号的软件滤波
CAP1 捕捉到的两个过零信号上升沿的间隔时间，即两个CAP1中止事情的间隔时间，等于电网待测信号的周期T。TIMER 在体系初始化后不断计数，然后在CAP1 的中止服务程序中记载两个CAP1 中止事情之间的TIMER 计数值N，可核算出T。一起，选用软件滤波来判别CAP1信号是否为毛刺搅扰，其进程如下：电网基波频率动摇一般不超越依0.2 Hz，当发生CAP1中止时，能够核算本次与前次的计数差值，假如远小于工频周期计数差值，则以为捕获的中止为搅扰发生，如该中止非接连两次以上呈现，则中止回来。一起对发生的中止次数进行累加，到达设定规模时对电压过零时间正弦表格的指针方位进行判别，调整正弦表格指针地址，完结过零指针的校准。
1.5 A/D转化及相频核算
过零信号经过软件滤涉及校准后，在捕获到输入电压信号过零点时，直接将发正弦信号的指针归零，确保输入电压信号过零时DSP宣布的基准同步过零，然后完结相位同步。A相电压过零信号送入管脚CAP1，作为一个采样周期的基准，该周期的128 倍频信号作为每次ADC 发动基准。在体系初始化后敞开CAP1，并设置发动ADC、相应的模数转化、数据剖析、操控量投出等操作，直到关机或许发生毛病。因为F2812 的体系时钟频率十分高，为150 MHz，即中止服务程序的呼应延迟时间十分小，能够疏忽。在CAP1 的中止服务程序中，依据待测信号周期T来设置F2812 事情管理器的通用守时器TIMER，每隔驻T/128 s主动发动一次A/D转化进行数据收集。
A/D 转化后的信号运用滑动窗口的FFT 算法，以滑动窗口的DFT和Pruning-FFT为根底，运用DFT对特定次谐波进行挑选核算，依据滑动窗口快速呼应以及Pruning-FFT 快速核算的特色，使DSP的处理速度到达抱负值。运用FFT进行相位和频率剖析的原理如下。
对某一单一频率信号
经过上述剖析得出初相角、频率，将数据存入对应寄存器中，完结基涉及谐波的相频核算功用。
1.6 SPWM输出的相频调整
软件锁相输出是由捕获中止和守时器中止共同完结，捕捉中止能够完结电压周期和相位的核算，守时器中止用来输出SPWM波形。在本计划中，三角载波是运用通用守时器的接连增减计数形式发生的，当通用守时器有用后，开端递加计数，直到等于周期寄存器的值，守时器开端递减计数，递减到零时，从头开端递加计数，并重复以上进程，然后构成三角载波信号。得到三角波后，经过比较单元来操控输出波的极性，发生PWM 波。
TMS320F2812 系列DSP 片内带有比较单元，可供给6对可编程的PWM信号，这为完结上述算法供给了极大的便当。当守时器发生周期中止时，就需求从头装载比较器的值，即此时的正弦值。设定载波比为21(载波比应为奇数且能被3 整除)，即1个正弦波的周期等于21 个载波的周期，则相邻的两个三角波峰值对应的正弦波相位差为360毅/21= 17.143毅，假定上一周期中止装载的正弦值为sin兹，则本周期中止所需装载的正弦值为sin(兹+17.143毅)。
例如：输出正弦信号的频率为250 Hz(5 次谐波)时，其三角波的频率则为5.25 kHz。三角波信号由守时器模仿发生，则守时器的守时周期为
5 次谐波的初相角兹是电压经FFT 核算得到与A相电压过零点的相位差值。依据x和兹值，发生相应的PWM 波。因正弦值实时核算时用得较多，在确认相位分辨率后，例如1毅，会导致很多重复核算。因而，选用查表法，按次序预存一个周期为420 点的正弦值，相位的分辨率为360毅/420=0.857毅，因每次比较器的装载值是上一次移相17.143毅后的正弦值，所以只需将上一次装载值的地址加上必定的偏移量，即为本次所需的装载值地址，该偏移量为420/21=20。可见，将正弦核算简化为读相应地址的存储器值，会大大提高程序的功率。
经过读取寄存器中基涉及谐波电压的初相角频率以及与过零点相位差的值，调整对应的正弦表格初相角指针地址，经过修正守时器周期寄存器来改动正弦波的频率，修正比较寄存器来改动正弦波的幅值和相位，鄙人一个过零信号过零点投出相位和频率操控量，即可完结对基涉及谐波电压及SPWM 输出时的相位确认。
2 试验成果与剖析
在一台低压有源电力滤波设备中，选用依据TMS320F2812芯片为中心操控器的软件锁相环的规划计划。试验成果验证，该计划能够很好地完结对基涉及特定次谐波电压相位的盯梢和确认。
图5(a)给出同步过零信号波形，电压信号(正弦波)为A相电压，过零信号为方波。电路规划时将电压采样信号幅值转化为3.3 V，满意过零信号能被管脚CAP1 辨认的条件。如图5(a)所示，过零信号与电压采样信号同步。
图5(b)给出功率模块锁相输出试验波形，图中波形1 为A相电压采样信号，波形2 为功率模块输出电流波形，操控器设定跟从电压采样信号的过零点触发功率模块同步输出。从试验成果能够看出，功率模块逆变输出电流相位能够与采样信号过零点坚持同步，相位偏移极小，到达对电网基波电压锁相及盯梢输出的意图。
图5(c)给出功率模块锁相倍频输出试验波形。为便利调查谐波锁相输出的作用，设定5 次谐波初相角与基波过零点同相，操控器设定跟从电压采样信号过零点，反相输出5 次谐波电流，电流幅值不变。图中波形3 为采样点电压信号，波形4为操控器触发功率模块输出电流波形。如图所示，功率模块输出的5 次谐波电流初相角与采样信号坚持过零同步。
试验成果表明：经过软件锁相环能够完结功率模块逆变输出电流与电压采样信号的同步，调整操控器程序，能够完结对谐波相位及频率盯梢，到达对电网电压及特定次谐波电压锁相及盯梢输出的意图。
3 结语
本文提出了一种依据DSP2812完结对电网电压软件锁相的技能计划。试验成果表明，该计划能很好地完结对电压信号周期及频率的实时盯梢。
选用软件锁相环技能，只需规划过零检测及信号调整电路，其它功用均由DSP芯片完结，减少了外界环境搅扰的问题，提高了锁相精度。一起，DSP能够实时进行软件修正，能完结杂乱操控，提高了其可操作和可扩展性。跟着DSP功能的不断改进，其运算速度越来越快，将为软件锁相技能供给更多的开展空间。
