三相电源相位检测及相序自适应在PWM整流器中的应用*

金 蒙 丁云飞 杨立波 商怀昊 李德爽

(大连光洋科技工程有限公司，辽宁大连 116600)

电力半导体开关器件技术的进步，促进了电力电子变流装置技术的迅速发展，作为电网主要“污染”源的整流器，受到了学术界的关注，开展了大量研究工作。将PWM技术引入整流器的控制之中，使整流器网侧电流正弦化，且可运行于单位功率因数。在三相PWM整流器的控制系统中，三相电压的相位信息是必需的物理量，准确可靠的获取电压相位信息是进行三相PWM整流器精确控制的前提。三相PWM整流器的矢量控制系统是以正相序为基础建立拓扑结构，因此相电压的相序是必须明确的物理量。另外，检测相电压缺相是保证系统安全可靠运行的必要条件［1］。

在工业应用中，相位检测技术被普遍应用于各种设备中。限于技术难度和成本的考虑，通常采用CD4046一类的锁相环专用芯片，这类专用芯片属于模拟锁相环方案。这类方案将模拟锁相电路固化在芯片中，应用简单，但也存在诸多不足。集中表现在电路固化在芯片中不可再修改电路调试参数，相位检测功能单一，不能满足复杂的应用需求，模拟电路在电磁环境较差，输入信号含有大量谐波时易受到干扰而影响控制器正常工作等。

本文给出了一种针对三相PWM整流器控制的鉴相方法。该方法将三相电压信号接入硬件鉴相电路，这一级鉴相电路将三相正弦信号整形输出三相方波信号，三相方波信号直接输入F2812的CAP引脚，结合F2812的捕获功能用软件处理方法计算相位角、判断相序以及判断缺相。文中提出的方案，原理清晰，可操作性强，且不会增加控制器的复杂度和负担，特别适合在基于DSP的数字控制系统中实现。通过实验验证了该方案的有效性。

1 鉴相电路

鉴相电路(图1)原理上通过一个迟滞比较环节将三相正弦波形转化为三相方波信号，经过一级光电隔离电路后再由一级施密特触发器电路整形，最终的方波信号直接输入到F2812的捕获接口［2］。

2 捕获单元

F2812捕获单元能够捕获外部输入引脚的逻辑状态，并利用内部定时器对外部事件或引脚状态变化进行处理。事件管理器有3个捕获单元，每个都有自己独立的输入信号。捕获单元以定时器1或2为时间基准进行计数处理。当外部引脚检测到特定的状态变化时，所选用的定时器的值将被捕获单元锁存到相应的2级FIFO堆栈中。可设定上升沿、下降沿或上升下降沿跳变探测，并且每个捕获单元都有一个单独的可屏蔽的中断标志位［3］。结构示意图如图2所示。

捕获单元被使能后，输入引脚上的跳变沿将使所选择的通用定时器的计数值装入到相应的FIFO堆栈，同时如果有一个或多个有效捕获值存到FIFO堆栈，将会使相应的中断标志位置位。如果中断标志未被屏蔽，将产生一个外设中断请求。每次捕获到新的计数值存入FIFO堆栈时，捕获FIFO状态寄存器相应的位就进行调整，实时地反映FIFO堆栈的状态。从捕获单元输入引脚发生跳变到所选通用定时器的计数值被锁存需2个CPU时钟周期的延时。复位时，所有捕获单元的寄存器都被清零。

3 相位角计算

根据捕获单元的原理，设置使用的通用定时器工作模式为连续增计数模式，设置自己的周期寄存器和计数最大值。并设置边沿检测为单个上升沿或者下降沿。在边沿跳变的时候产生捕获中断将定时器的计数值存入到FIFO堆栈中，以锁存的计数值作为相位计算的起始点，实时查询定时器的计数，同时在每个跳边沿时更新计数起始点，即可计算每一时刻需要的相位角信息［4］。电网相电压与对应计算的相位角如图3。

直观地讲，三相PWM整流器若运行于单位功率因数，即相电流与相电压相位差为零或者相位差为180°。而相位角直接决定了相电流相位，即可通过直接观测相电流与相电压的相位差来判断相位检测精度。图4，图5分别为三相PWM整流器工作于整流模式相电流和相电压的波形图、数据图。图6，图7分别为三相PWM整流器工作于逆变模式相电流和相电压的波形图、数据图。测试仪器为WT3000功率分析仪。

依据测试的数据，三相PWM整流器在整流模式下功率因数可达0.992，在逆变模式下功率因数可达－0.986，都接近于单位功率因数。这样的精度能够满足工业应用的需求。

4 缺相及相序检测

在PWM整流器控制系统中，其拓扑结构是以三相正相序交流电为控制对象，对于负相序需要做相序自适应处理，而缺相是属于严重的电网故障，不能被正确控制，需要排除缺相的故障。

三相正弦交流电经鉴相电路整形后方波信号(如图8)的 U、V、W 相依次相差120°，相序组合 UVW、VWU、WUV为正相序;而相序组合UWV、VUW、WVU为负相序。

U、V、W三相方波信号输入到F2812的捕获引脚，在设定的跳边沿产生一个捕获中断INT×(U，V，W)，因INT×接收到的触发信号先后时间是未知的，所以按照中断信号INT×的中断早晚排序，排序组合可能是下述组合中的一种:INTU—INTV—INTW，INTV—INTW—INTU，INTW—INTU—INTV，INTU—INTW—INTV，INTV—INTU—INTW，INTW—INTV—INTU。设定INTU为U相过零信号跳边沿中断，INTV为V相过零信号跳边沿中断，INTW为W相过零信号跳边沿中断，则对应电源相序可能组合为 UVW、VWU、WUV、UWV、VUW、WVU。用F2812对中断信号锁存的通用定时器值进行逻辑判断容易得到相序关系，再按照相序关系对控制进行自适应。

在三相输入信号缺相时，三相鉴相信号表现出相对稳定的模式，如图9为缺其中一相的鉴相信号，如图10为缺其中两相的鉴相信号，三相全缺少时则没有变化的信号。从两种类型的缺相情况分析，在缺相时三相的相位关系已经不存在相互之间相差120°的情况，结合上文中对相序判断的分析，通过逻辑判断三相过零信号之间的相位差不在120°左右，则可以判断为电源缺相。当电源处于缺相状态，判断相序是没有实际意义的。

5 结语

本文详述了三相鉴相电路原理，以及应用在三相PWM整流器中用作检测相位角，判断相序和检查缺相。并实验测试了相位检测在实际应用的精度。该方法硬件简单稳定可靠，软件易于实现，检测精度高。已经应用在数控机床的智能伺服电源开发中。

［1］张兴，张崇巍.PWM整流器及其控制［M］.北京:机械工业出版社，2012.

［2］高建荣，吴丽云.基于单片机的三相电源相序控制设计［J］.微计算机信息，2004(7).

［3］Incorporated T I.TMS320C28x系列 DSP的 CPU 与外设［M］.北京:清华大学出版社，2005.

［4］苏奎峰，吕强，常天庆，等.TMS320X281x DSP原理及 C程序开发［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2008.