TMS320C240大功率并联锁相控制术

随着信息处理技术的不断发展，尤其是计算机的广泛应用和互联网的迅猛发展，现代信息设备对UPS供电系统的可靠性要求越来越高，如何保证UPS冗余并联系统在电网恶劣的条件下稳定、可靠运行是UPS厂家需要考虑的问题。本文介绍一种基于TT公司制造的TMS320C240DSP控制器构成的大功率并联型UPS同步控制方案。与电网的同步、并联系统中各台UPS间的同步，成为并联UPS系统控制的关键。UPS并联系统中的核心部分是精度很高的锁相环，模拟锁相环是一门成熟的技术，以其独特的优良性能在许多领域得到了广泛的应用。但随着数字技术的发展，UPS的全数字化控制是大势所趋，因此，锁相环也逐渐过渡为数字化，数字DSP控制锁相环相对于模拟锁相环实现起来更方便，同时用软件代替硬件实现，还可以结合系统的其他功能统一设计，节省成本。

1TMS320C240DSP控制器介绍

TMS320C240是美国TI公司专为数字电机控制运用而推出的一种16位定点运算的DSP，为控制系统应用提供了一种理想的解决方案。它具有以下的主要组成部分：3个通用定时器，可输出3路比较/PWM脉冲，3个全比较单元，可输出3对带死区控制的比较/PWM脉冲，3个单比较单元，可输出3路比较/PWM脉冲，4个捕获引脚CAP，用于高速I/O管理;两组各8路10位10μs的A/D转换器，看门狗定时器和定时中断定时器;片内ROM或Flash存储器等。

2并联系统UPS的同步控制方案

2.1UPS的锁相控制原理

市电电压波形及UPS输出电压波形都是正弦波。设UPS逆变电压的频率为f,而市电电压的频率为f1，市电电压波形的瞬时值可表示为

μ1=Um1sinω1t=Um1sin2πf1t

UPS逆变输出电压波形的瞬时值可表示为

μ=Umsin(ωt±θ)=Umsin(2πf1t±θ)

其中+θ为UPS输出波形超前于市电波形的相位角;-θ为UPS输出波形滞后于市电波形的相位角。

要实现UPS与市电的同步必须要求:f=f1，θ=0，关键在于如何实现2πf1t=2πft±θ，只能通过改变f使得θ逐步减小，最终θ=0，f=f1，当UPS输出波形超前于市电波形时，则要求该UPS输出电压的频率降低，即

f=f1-θ/2πt

当UPS输出电压波形滞后于市电波形时，则要求UPS输出电压的频率升高，即

f=f1+θ/2πt

2.2并联UPS系统同步锁相的实现

并联系统UPS在市电与逆变切换时，若在切换的瞬间二者的输出波形不一致，会造成供电的中断，另一方面也可能会因两个电压源之间的环流过大而损坏UPS。为确保UPS系统市电与逆变在切换时不存在环流，需保证市电波形与逆变波形保持相位接近。因此需要一种装置用来检测市电的相位变化，并用于控制逆变器输出电压的相位和频率，使逆变器与市电保持同步运行。

对于并联系统UPS的锁相可采用两级锁相结构。其中，一级锁相环又称外同步，是指并联系统各UPS跟踪市电相位和频率并进行相互间的相位同步控制，即实现UPS与旁路市电的同步，二级锁相环又称内同步，是指基于各台UPS输出电压的频率及相位跟踪和同步控制，使其实现各台UPS间的同步。两级锁相环都采用了PI调节器，其中，内同步速度较快，精度很高(=10us以内)，使其确保了UPS之间的并联环流达到最小。外同步的PI调节器速度较慢，使其确保了旁路和逆变器之间的平滑切换。每级锁相环包括相位误差检测、调节器的调节。以下分别介绍各级锁相环是如何实现的。并联系统中的锁相组成如图1所示。

(1)外同步

两台UPS的输入即市电经比较器电路整形为方波，经过同步母线综合后，将该方波信号送到每台UPS的DSP捕获牢元CAPI引脚，设置上升沿或下降沿捕获，则在方波信号发生相应跳变时迸人捕获1中断读取计数器T2CNT的值作为PI调节器的反馈信号，通过与设定值相比较即可得出相位差，再经PI调节器的运算形成调节量，用于改变T2PR的值，从而使逆变输出跟踪市电基准。

(2)内同步

T2计数器作为UPS正弦输出的相位和频率基准，为保证所有UPS之间的同步，所有UPS都利用T2CNT发生一个方波，方波经同步母线综合后，送到所有UPS的CAP2端口，在方波信号发生相应跳变时进入捕获2中断中对T2CNT清零，保证内同步的给定是同步的。

在正弦中点时对应的中断中读取T2CNT值作为反馈量，与T2PR/2相比较，再经PI调节器运算后得到的调节量用于改变TIPR的值，使逆变输出正弦波和T2计数器同步，从而逆变输出保持同步。

锁相的软件流程如图2和图3所示。

其DSP同步算法中各卑元的波形如图4所示。3实验结果

3.1UPS与市电网的同步锁相

图5是UPS在市电状态下，其逆变输出波形与市电波形同步锁相，通过DSP的控制可以保证锁相精度在20μs。

3.2UPS与发电机的同步锁相

图6是UPS在发电机供电情况下，逆变输出与发电机波形的同步锁相情况，图中表明采用上述同步控制算法，可以很好地保证UPS与发电机的匹配。

4结束语

通过DSP实现的两级锁相可以很好地解决并联系统UPS与市电间、各台UPS相互间同步控制的问题。通过大量的实验说明了这种锁相控制方法可以达到较好的同步精度，无论市电如何变化，由异常到正常、正常到异常以及频率在额定范围内突变等各种情况下，各UPS逆变输出波形间相差小于50μs，为并联系统UPS间较好地实现均流做好了充分的准备。