1.导言
UPS，不间断电源，是指在市电正常或毛病情况下均可为负载供给牢靠、安稳的电源办法。多用于在一些关键性的负载如核算机机房、医院等场合，为负载供给了最多的电源毛病维护。可是传统的在线UPS有多个功率部分和模仿操控器，是一个非常杂乱、贵重的体系。因而，合适现代科技开展的高质量、高牢靠性全数字UPS（不间断电源）的研讨就成为人们非常重视的课题。数字化操控以操控简略、灵敏，输出功用愈加安稳，能够完成模仿操控所难以到达的功用等许多优势成为电源研讨范畴的一大热门。跟着微电子技能的开展，为电力电子供给了越来越多的解决方案，使UPS电源的全数字制、各种先进操控战略的引进逐步成为实际。
本文首要评论在依据TMS320LF2407数字化操控渠道的UPS中的关键技能之一-锁相操控技能。
2.锁相含义
不间断电源作业进程中存在两次切换：
一是电源发动时由旁路向负载供电，逆变器空载运转，一起发动锁相功用，调整逆变输出盯梢电网频率和相位，当逆变输出盯梢上电网频率时切换至逆变器为负载供电；二是当逆变电路发生毛病，或许当负载有冲击性（例如发动负载时）或过载时，操控体系将封闭PWM输出中止逆变器对负载的供电，一起接通旁路开关，由电网直接向负载供电。
为有用确保逆变旁路切换进程不对负载发生过大的冲击，UPS逆变输出电压有必要与电网电压的频率及相位坚持一致。因而，UPS体系引进了锁相操控技能，软件锁相技能是数字化UPS的重要环节之一。快速牢靠的软件锁相盯梢技能能够精确地为逆变器数字化操控供给与电网电压同频同相的规范电压参阅正弦波。
3.锁相环基本原理
锁相环是一个闭环的相位操控体系，能够主动盯梢输入信号的频率和相位。它由相位比较器、低通滤波器、压控振荡器三部分组成，其操控框图见图1.
图1：锁相操控框图
其作业原理为：将压控振荡器的输出信号uo（t）与电网的采样信号ui（t）两路频率与相位不同的信号送入相位比较器，生成的差错信号ue（t）的起伏与uo（t）和ui（t）信号的相位差成正比。ue（t）经低通滤波器处理后将向外送出一个适当于ue（t）信号的平均值的操控电压信号uc（t），压控振荡器在信号uc（t）的操控下将调整输出电压信号uo（t）的频率和相位，然后使uo（t）与ui（t）两路信号的频率和相位差逐步减小。
4.在线式UPS的锁相操控技能
依据单相U P S逆变器的操控电路产成SPWM波办法的不同，完成UPS的锁相操控办法有很大差异，下面别离评论。
4.1 在线式UPS的模仿锁相操控技能
传统的在线式UPS电源，其锁相操控原理框图如图2所示。当供电正常时，电网电压检测电路输出高电平，50Hz电网电压经波形改换电路被转化成周期为20ms的单极性“倒置全波整流”信号，再送到模仿开关1的输入端，经过模仿开关2后发生一串电网电压同步盯梢信号。因为变频器的输出信号是周期为20ms的同步捕捉信号，因而加在多谐振荡器操控端上的电网同步盯梢信号可对高频振荡器的高频输出脉冲进行相位调整，以确保正弦波发生器输出50Hz的基准正弦波。经过锁相同步电路，即“锁相环”，该正弦波总是与电网电压处于同频同相的同步盯梢状况。当供电反常时，则由多谐振荡器发生本振频率为20kHz的信号，经分频器输出500Hz的脉冲序列，然后经正弦波发生器发生稳频的50Hz规范正弦波。
图2：带输出变压器的在线式UPS电源锁相操控原理图
传统的正弦波信号发生器选用反应振荡电路，使用电路的自激振荡和选频效果输出正弦波，可是低频模仿振荡器有一个缺陷：
受电压和温度的影响大，输出信号的频率和起伏安稳性差，很难到达作为沟通基准的要求；并且彻底用模仿器材使得操控电路结构适当杂乱，不便于出产，难以调试。
4.2 在线式UPS的数字锁相操控技能
在线式UPS的数字锁相操控技能中选用微处理器作为中心操控芯片，并选用软件完成相位锁存的办法，其电路一般由以下几部分组成：沟通电压互感器，精细整流电路，过零比较器，低通滤波器，反相器，模仿切换开关及微处理器。其电路组成框图见图3.
图3：在线式UPS数字锁相操控电路组成框图
该电路作业原理为：电网沟通电压经过电压互感器阻隔降压成为与电网电压同频同相的低压沟通信号，一路经过精细整流电路成为正极性的半波直流电压信号，经过微处理器内部的A/D转化器，测得电压的幅值；另一路经过电压过零比较器输出沟通信号的正负极性，经过I/O口进入单片机，这样就可测得外部沟通电压的实时波形数据，在将收集的波形数字序列经过D/A转化，即能够输出正弦波。因为电网电压中含有很多谐波成分，经电压互感器收集的沟通电压信号并不是纯洁的正弦波，所以选用直接输出办法发生的波形并不是安稳纯洁的正弦波。
因而，在PWM输出后参加数字低通滤波器以滤除高频谐波成分，然后确保输出电压的安稳性和纯洁度。
其详细完成进程是：首要，用数字序列调制单片机内部的PWM脉宽调制电路，使之发生的脉冲方波宽度正比于信号起伏，假如微处理器选用20MHz晶振，PWM输出为8位分辨率时，输出方波的最高频率为78KHz，所以在PWM输出端加一个积分常数很小的RC低通滤波器就能够得到很滑润的半波输出波形，低通滤波器形成的相位推迟能够忽略不计。该信号一路直接送到模仿开关，另一路送到反相电路成为负极性的半波电压信号，再送到模仿开关，这正负极性两路电压信号经过单片机操控的模仿开关切换，就输出与外部电网相位同步的正弦波信号。当电网呈现毛病时，微处理器将读取其存储器中贮存的规范50Hz正弦波序列以操控逆变输出。
4.3 在线式UPS的软件锁相操控技能
跟着微电子技能的开展，呈现了许多性价比高的用于电机操控的专用微处理器，微处理器内部集成了PWM波发生电路，能够经过软件编程来改动PWM波输出频率。UPS中的软件锁相操控便是依据此类微处理器，以程序核算办法来完成。其软件完成的办法有两种。一种是需要对市电电压和逆变输出电压两路信号进行滤波整形，改换为与其同频率的方波信号，经过微处理器的捕获引脚捕获方波上升沿的跳变，由捕获值来核算频率及相位差，以此调整输出SPWM波的频率，使得两路信号的频率与相位坚持一致，其锁相同步操控原理框图如图4所示。另一种办法只需对市电电压进行方波改换，在对市电改换方波的捕获中止中，经过判别SPWM输出波的相位相对于市电相位的超前或滞后，经过改动SPWM定时器周期值来调整SPWM波下周期的输出频率，然后完成频率盯梢。
图4：软件锁相同步操控
两种办法的共同之处是：都事前设定电网电压频率为50Hz，依据SPWM载波频率将每个电压周期分为N等份（当载波频率为78KHz时，N=150），将对应时间的正弦值制作成表存在微处理器的存储器中，坚持每SPWM周期输出序列个数N值不变，调整载波频率完成对输出电压频率的调整；它们的完成进程都依赖于两个中止，一个是SPWM载波周期定时器中止，一个是捕获中止（可经过设置捕获中止办法使得捕获中止发生在正弦波周期的零相位时间）。
因为两种办法都是经过调整SPWM频率完成逆变输出对市电电压的锁相，稳态时其盯梢精度较高，但动态功用欠好，锁相环发动时的盯梢调整速度较慢，因而同步响应速度有待进步，且需进一步增强同步的抗干扰和容错才能。
5.定论
本文所研讨的依据TMS320LF2407数字化操控渠道的UPS的软件锁相技能，锁相精度高，易于完成，能够很好地满意不间断电源的锁相技能要求。
