基于DSP的远距离逆变器间的数字锁相技术

摘要：设计了一种基于电流信号传输的同步信号传输电路，采用主从控制的数字锁相环，实现了远距离两台逆变电源输出电压的同步。 Vol.11 No.1January 2008 page 29

关键词：数字锁相环；同步信号；主从控制；逆变电源

Abstract:A synchronization signal transmission-circuit based on current signal is presented. It adopts principal and subordinate Digital-Phase-Lock-Loop(DPLL) control method to achieve in-phase between two long-distance inverter.

0 引言
当前，交流电源供电方式正在由集中式向分布式、全功能式发展，而后者的技术核心就是模块化逆变电源的并联技术，这是一个研究的热点。逆变电源并联运行的关键技术是要保证各台逆变电源的输出电压在频率、相位和幅值一致。保证输出电压幅值的一致是比较容易实现的，要保持各台逆变电源输出电压的频率和相位的一致，需要采用数字锁相环来实现。
在某些特殊的应用场合，由于环境的限制，两台并联运行的逆变电源相距比较远，要可靠地传输同步信号变得比较困难，尤其是当干扰源和传输的同步信号之间距离比较近的时候，干扰信号对传输信号的干扰就更加明显。本文首先设计了一种高抗干扰的远距离同步信号的传输电路，接着介绍了一种基于DSP 控制的数字锁相技术。实验验证了采用这种方法设计的同步信号传输电路的抗干扰性强，采用这种基于DSP控制的数字锁相技术具有很高的可靠性和锁相精度。
1 远距离同步信号的传输
目前比较常用的信号传输电路有：
（1）直接传输输入输出的电压信号；
（2）采用RS原232 串行通讯技术传输；
（3）采用光纤连接器传输；
（4）采用电流信号传输。
在传输距离比较远时，直接传输电压信号的抗干扰性差是很明显的；采用RS-232传输信号时连接电缆的最大长度不能超过5m，当距离较远时，不能可靠地传输所需的信号；采用光纤连接器传输信号，虽然可靠性很高，延时小，但是光纤连接器昂贵的价格限制了它的实用性。
电流信号的抗干扰性比电压信号的抗干扰性强，当采用标准的电流信号（20mA）传输信号，在外部干扰不是很强时的可靠传输距离在50m 以上。提高传输电流，可靠传输距离也相应的增加，当传输电流达到100mA 时，即使外部干扰很强也可以在长的传输距离上可靠地传输信号，采用电流信号传输时可以利用已有的普通电缆，而不需要重新铺设传输线路。
基于电流信号传输的电路包括信号发送电路和信号接收电路，其中信号发送电路将DSP 输出的电压信号转换成电流信号(100mA），而信号接收电路将接收到的电流信号还原为原来的电压信号。信号发送电路和信号接收电路分别如图1 和图2 所示，当同步信号为低电平（0V），光耦TLP250输出高电平（-12V），信号发送端由三极管

Q1和Q2组成的推挽电路的上管导通，传输电路上有正向电流（由信号发送电路流向信号接收电路），在信号接收端由电阻R6和R7将线路传输电流信号分流后驱动高速光耦6N136中的发光二极管导通，6N136的输出端RXD 得到所需的低电平信号（0V）；当同步信号为高电平（垣5V），光耦TLP250输出低电平（-12V），信号发送端由三极管Q1和Q2组成的推挽电路的下管导通，传输电路上有反向电流（由信号接收电路流向信号发送电路），此时在信号接收端由于电流的反向流动，高速光耦6N136 中的发光二极管关断，输出端RXD得到所需的高电平信号（+5V）。为了进一步提高电路的抗干扰性能，在接收电路中串联了4 个快恢复二极管。这样，干扰信号的幅值必须高于二极管D1~D4 和光耦6N136 内发光二极管的正向导通压降才能使光耦6N136 导
通，因此，比较弱的干扰信号就不能通过这些二极管而干扰同步信号的传输。

2 数字锁相技术
利用锁相环技术，让逆变电源输出电压跟踪同步基准信号，从而实现并联的逆变电源输出电压同步的目的。数字锁相环由于可靠性高、性能稳定，已获得了广泛的应用。锁相环是一个闭环的相位控制系统，能够自动跟踪输入信号的频率和相位。一般的模拟锁相环控制框图如图3 所示，由鉴相器（PD）、低通滤波器（LPF）和压控振荡器（VCO）组成。通过将压控振荡器的输出信号Uou（t t）与电网电压的采样信号Uin（t）这两路频率和相位不同的信号送入鉴相器，生成误差信号Ue（t），该信号是相位差的线性函数。Ue（t）经过低通滤波器后输出Uc（t）。压控振荡器在电压信号Uc（t）的控制下将改变输出电压信号Uout
（t）的频率和相位，以便使信号Uou（t t）和Ui（n t）的频率和相位差减小。

两台逆变电源之间的同步控制可以采用主从控制方式，主机负责发送同步控制信号，从机跟踪主机的相位和频率。采用数字控制的逆变电源可以很方便地改变输出电压的相位和频率，使从机输出电压的相位和频率和主机输出电压保持一致。
采用主从控制的首要条件是主机和从机的确定。主、从机的确定原则如下：先上电的逆变电源为主机，主机负责发送同步信号，并不接受同步信号；从机利用DSP的捕获口准确地捕获同步信号的周期，

并且利用数字锁相技术实现锁相。如果从机掉电，主机继续发送同步信号，而不改变主从关系，从机再次上电还是从机；如入主机掉电，从机如果联系几个周期没有捕获到同步信号则认为主机已经掉电，此时从机自己发送同步信号，并且不再接受同步信号，转变为主机，掉电的逆变电源再次上电就转变为从机。此处采用了基于DSP 控制的数字锁相环，如图3 所示，锁相环工作原理如下：设存在两个计数器T1、T2和一个同步信号，计数器的特征是：T1是计数间隔固定的计数器，T2 是计数周期固定，但计
数间隔可变的计数器。计数间隔为计数器每增1或减1所需时间，计数周期为计数的个数。锁相要达到的目标是通过计数器T2，使得计数器T2 与同步信号同步。
同步信号为一方波，当同步信号的上跳沿来临时，记取当前T1 的值为T，并将T1 清零，此时T1 的值T 即为同步信号的周期。若取同步信号的一半周期处为锁相点，当T2 计数到中间值时，T1计数器的当前值与T/2 的差即为T2 与同步信号的相位差，根据相位误差调节T2 计数时间间隔，直至相位误差为零。误差的调节用PI 调节器实现。在实际系统中可用DSP的捕获功能准确地捕获同步信号的周期，T2 定时器的周期就决定输出电压周期，这样调整T2 定时器的时间定标就可以改变输出电压周期，从而达到改变逆变器输出电压的频率。
3 实验结果
在两台采用TMS320F240 控制的并联运行的中频逆变电源上试验该数字锁相方法，两台逆变电源之间的信号线用100m的电缆（没有屏蔽层）连接，并且将传输信号电缆和正在工作的中频逆变器的交流输出线缠绕在一起。当传输两台中频逆变电源之间的同步信号时得到如图5 和图6所示的实验结果。从图中可以看出该电路具有很强的抗干扰能力，并且在100m传输距离的传输延时
只有1.6us。