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基于DSP技术的软件锁相环设计

2018年02月26日 19:54 次阅读

随着世界环境污染与经济危机的曰趋严重,可再生能源的研究越来越受人们重视。作为最有开发前景可产生可再生能源的变流器并网技术成为人们研究的重点。其中锁相技术是其核心技术。

常用的锁相有硬件锁相和软件锁相。传统的硬件锁相就是通过逻辑器件对电压信号进行过零检测,电路简单、设计巧妙,但具有一些不足,当电网电压发生频率、相位突变或三相电压不平衡时很难实现锁相,动态性能较差。而软件锁相具有良好的抗干扰能力,能以较高的精度、较快的速度实现锁相。

因此,本文在分析锁相环基本原理的基础上,搭建并网试验平台,采用设计自由、适应性强的软件锁相技术,试验表明,本软锁相技术可很好地实现锁相。

1 锁相环基本原理

锁相环是一个相位误差反馈系统,由鉴相器(PD)、低通滤波器(LPF)和压控振荡器(VCO)组成,其工作原理是将输入的电压信号与SPLL内部信号的相位差转换为直流量,经过滤波器后通过压控振荡器,实现信号的频率和相位的调整,从而使其与电网电压同频同相,其控制结构图如图1所示。

基于DSP技术的软件锁相环设计

其中,鉴相器采用乘法器,构成基于乘法鉴相器的闭环锁相环,将压控振荡器的输出信号v0与输入信号vg进行相位比较,从而产生相位差的误差电压vd。

鉴相器输出式(1):

基于DSP技术的软件锁相环设计

上式中可以发现,鉴相器输出的相位差中存在高频分量,因此需要通过低通滤波器来滤除其中的高频成分。低通滤波器实际上是一个比例积分控制器PI,滤除误差电压vd中的二次谐波分量和噪声,以确保系统的稳定性,通过PI控制器的误差传递函数输出为式(2)。

基于DSP技术的软件锁相环设计

压控振荡器在锁相环路中起了一次积分的作用,即压控振荡器实际上是锁相环路中的固有积分环节,完成电压/频率的变换。

2 硬件电路设计

2.1 DSP28335简单介绍

本文采用的DSP芯片为TMS320F28335,该芯片具有一个12位带流水线结构的模/数转换器和6个独立的ePWM模块。ADC具有16个通道,1个转换内核,可实现顺序采样和同时采样。一个完整的ePWM输出通道包括EPWMxA和EPWMxB两路信号。实验系统中的IPM模块驱动信号由该模块产生。

2.2 信号调理电路

本设计采用霍尔电压传感器VSM025对交流电压进行采样,将采集到的电网电压转换成在-3~+3V之间;同时通过信号调理电路对传感器输出的电压信号进行差分放大和抬升,并输出0~3V电压信号,通过DSP的AD采样后进行信号的采集和处理。其信号调理电路如图2所示。

基于DSP技术的软件锁相环设计

2.3 信号输出电路

PWM信号是一系列可变脉宽的脉冲信号,其输出可以用来表征模拟信号,在PWM输出端进行积分可以得到期望的模拟信号。本系统中产生的PWM波通过逻辑芯片来驱动IPM模块,通过RC低通滤波电路到PWMDAC口将波形输出观察。其电路图如图3所示。

基于DSP技术的软件锁相环设计

3 软件算法设计

并网发电系统中,通过锁相技术实现电网电压相位的锁定,从而使逆变输出的电流与电网电压同频同相。锁相技术中其控制精度直接影响到并网运行的性能。软件锁相的流程图如图4所示。

基于DSP技术的软件锁相环设计

4 实验验证

4.1 采用PWMDAC进行验证

为了验证软件锁相的效果搭建了实验平台,该平台包含模拟电网、电压传感器、信号调理电路、DSP(TMS320F28335)核心板、信号输出电路、数字示波器六个部分,如图5所示。

基于DSP技术的软件锁相环设计

通过霍尔电压传感器检测电网三相电压中一相的电压,将采集到的信号通过信号调理电路进行处理,随后经DSP的AD口进行采样,并在DSP的内部进行锁相,并通过PWM口的RC滤波电路进行输出。通过数字示波器观察PWMDAC口的输出波形与电网电压波形来判断锁相的效果。

示波器观察波形如图6所示,系统中模拟电网的电压为18V,如蓝线(上)所示,绿线(下)为PWMDAC口输出电压。通过观察可以发现,PWMDAC的波形和电网电压相位一致,很好地实现了电网电压相位的锁定。

4.2 并网验证

在软件锁相的基础上搭建并网实验平台,包含三相模拟电网、电压传感器、信号调理电路、DSP(TMS320F28335)核心板、IPM模块、三相电感、电流传感器、数字示波器八部分,如图7所示。其中IPM模块使用的是三菱公司的型号为PS21765的模块,IPM内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路。三相电感的电感值为7mH。电流传感器检测输出电流信号,其信号调理电路与电压一样。

基于DSP技术的软件锁相环设计

DSP产生的PWM信号,经过逻辑电路来驱动三菱公司的IPM,并网时,先观察锁相波形及输出电压,在满足条件的前提下实现并网。并网结果波形如图8所示,红线为输出电流波形,蓝线为通过传感器后的电网电压波形。

通过观察发现,并网逆变器的输出电流和电网电压相位一致,从而实现相位锁定和逆变器并网。

5 总结

本文从软件锁相的理论出发,设计实现了基于DSP技术的锁相环,解决了传统硬件锁相精度不高、准确度差的问题,并通过PWMDAC和实际并网两个方面进行了验证,实验结果表明,本方法简单可行,具有很好地实用价值。

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锁相环中YTO自校准技术的应用

低噪声小数N分频锁相环实现方案

该电路是低噪声微波小数N分频PLL的完整实现方案,以 ADF4156 作为核心的小数N分频PLL器件...

发表于 2011-10-26 15:02 313次阅读
低噪声小数N分频锁相环实现方案

锁相环频率合成器调试方法

简单的PLL由频率基准、相位检波器、电荷泵、环路滤波器和压控振荡器(VCO)组成。基于PLL技术的频...

发表于 2011-10-26 14:41 2229次阅读
锁相环频率合成器调试方法

锁相环正弦波振荡器电路

电子发烧友网为大家提供了锁相环正弦波振荡器电路,本站还有其他相关资源,希望对您有送帮助!

发表于 2011-10-26 12:02 1757次阅读
锁相环正弦波振荡器电路

频率跟踪的锁相环电路

频率跟踪的 锁相环电路 由专用锁相芯片CD4046和分频芯片CD4040组成,以实现工频信号的锁相倍...

发表于 2011-10-26 11:17 4787次阅读
频率跟踪的锁相环电路

锁相环+双AD7865实现交流采样

介绍了电力系统参数交流采样的设计思想,对频率跟踪电路进行了分析,提出了由 锁相环 CD4046和AD...

发表于 2011-10-26 11:06 1760次阅读
锁相环+双AD7865实现交流采样

基于TMS320F2808的高精度UPS电源锁相...

针对全数字控制的UPS 系统, 结合锁相环原理, 提出了一种基于DSP TMS320F2808 的高...

发表于 2011-10-18 11:53 959次阅读
基于TMS320F2808的高精度UPS电源锁相...

美信电子推出DS31407单数字锁相环的时钟IC

美信电子推出DS31407的是一个灵活的,高性能的不同频率转换时间和频率合成中的应用集成电路。

发表于 2011-08-25 16:26 564次阅读
美信电子推出DS31407单数字锁相环的时钟IC

Hittite推出高精度宽带锁相环芯片HMC83...

Hittite推出高精度宽带锁相环芯片HMC830LP6GE,工作频率为25MHz~3000MHz,...

发表于 2011-07-25 08:56 2933次阅读
Hittite推出高精度宽带锁相环芯片HMC83...

基于锁相环的可变量程转速控制系统

本文介绍的基于锁相环的可变量程转速控制系统,是为研制新一代具有卷绕特性的调速电机控制器而开发的[1]...

发表于 2011-06-22 18:36 425次阅读
基于锁相环的可变量程转速控制系统

DS31404 双数字锁相环与PS输出抖动时钟I...

DS31404是一个灵活的,高性能的不同频率转换时间和频率合成中的应用集成电路。在其四个和八个输入时...

发表于 2011-03-21 11:42 442次阅读
DS31404 双数字锁相环与PS输出抖动时钟I...

DS31408 双数字锁相环时钟IC

DS31408是一个灵活的,高性能的不同频率转换时间和频率合成中的应用集成电路。在其八个输入时钟和1...

发表于 2011-03-21 11:40 559次阅读
DS31408 双数字锁相环时钟IC

DS31407 单数字锁相环与抖动时钟IC

DS31407是一个灵活的,高性能的不同频率转换时间和频率合成中的应用集成电路。就其三个输入和四个输...

发表于 2011-03-21 11:35 417次阅读
DS31407 单数字锁相环与抖动时钟IC

基于V600ME14-LF的锁相环设计

V600ME14-LF是一款性能不错的VCO, 可广泛应用在测试仪器设备、CATV前端设备、卫星通信...

发表于 2011-03-17 11:42 958次阅读
基于V600ME14-LF的锁相环设计

D7343锁相环调频立体声解码电路的应用

D7343锁相环立体声解码电路与D3361内部电路大同小异,其差别在于D7343用触发器来控制立体声...

发表于 2010-10-11 13:23 1368次阅读
D7343锁相环调频立体声解码电路的应用

D3361锁相环调频立体声解码电路的应用

D3361调频立体声解码电路,采用锁相环方式解码,它比D3301解码电路多了一个锁相环电路,因此性能...

发表于 2010-10-11 13:10 488次阅读
D3361锁相环调频立体声解码电路的应用

基于FPGA的锁相环位同步提取电路

  基于fpga的锁相环位同步提取电路   该电路如图所示,它由双相高频时钟

发表于 2010-10-08 12:00 582次阅读
基于FPGA的锁相环位同步提取电路

无锁相环实现的电压全周期过零检测电路

为了达到与电源电压同步的目的,除了可以使用锁相同步电路外,还可以实时检测电源电压的过零点和频率,根据...

发表于 2010-09-28 16:47 882次阅读
无锁相环实现的电压全周期过零检测电路

多锁相环和扩频时钟在数字娱乐设备中的设计应用

随着集成技术的不断发展,基于锁相环(PLL)的硅芯片时序解决方案的应用越来越普遍,为那些需要多种频率...

发表于 2010-09-28 16:26 434次阅读
多锁相环和扩频时钟在数字娱乐设备中的设计应用

基于异步FIFO和锁相环(PLL)的雷达数据采集...

  1 引言   随着雷达系统中数字处理技术的飞速发展,需要对雷达回波信号进行高速数据采集。在嵌入...

发表于 2010-08-19 10:45 384次阅读
基于异步FIFO和锁相环(PLL)的雷达数据采集...

采用锁相环的时间调整

图3.24给出了CADILLAC时钟相位调整电路的框图。对于大规模生产测试,可能值得构造这样的电路。...

发表于 2010-06-07 18:19 204次阅读
采用锁相环的时间调整

MAX9382在锁相环中的应用

MAX9382在锁相环中的应用 该应用笔记讨论了鉴频鉴相器的指标对锁相环(PLL)死区及抖动性能的...

发表于 2010-01-11 17:54 303次阅读
MAX9382在锁相环中的应用

高频锁相环的可测性设计

高频锁相环的可测性设计 可测性设计(Design for Test,DFT)最早用于数字电路设计。...

发表于 2010-01-04 12:47 433次阅读
高频锁相环的可测性设计

企业IP电话解决方案--利用DSP技术与软件

企业IP电话解决方案--利用DSP技术与软件 从最初的概念展示,一直到目前的广泛应用,VoIP(V...

发表于 2009-11-27 20:33 392次阅读
企业IP电话解决方案--利用DSP技术与软件

宽频带数字锁相环的设计及基于FPGA的实现

宽频带数字锁相环的设计及基于FPGA的实现数字锁相环(DPLL)技术在数字通信、无线电电子学等众多领...

发表于 2009-11-23 21:00 349次阅读
宽频带数字锁相环的设计及基于FPGA的实现