一种简易的三相软件锁相方法

苏永丽

【摘 要】对于PWM整流器，要求软件锁相环能准确、快速地检测出电网的基波频率和相位信息。不同于基于PI调节的软件锁相，文章提出了一种简易的基于静止二相坐标系的软件锁相方法，该方法具有动态响应速度快、稳态性能好的优点;同时介绍了电网频率的计算方法，实验结果验证了理论分析的正确性。

【关键词】软件锁相;静止两相坐标系;电网频率

【中图分类号】TM464 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）05-0061-03

0 引言

PWM整流器的控制算法中包含有电网基波相位和电网频率的检测，通常采用硬件锁相或软件锁相实现。硬件锁相速度快，但在谐波含量高的电网中锁相精度较差;软件锁相在谐波含量高、相位或波形畸变和频率突变时，都具有较好的抗干扰能力，是目前普遍采用的一种锁相方式[1-5]。

传统的软件锁相是基于PI控制，通过同步旋转坐标变换方法来检测电网的基波频率和相位信息。但软件编程时，PI计算占用一定的DSP资源且存在延时。文中在同步旋转坐标变换的基础上，提出一种基于静止两相αβ坐标系实现软件锁相的方法，避免了PI计算，编程实现也比较简单。

1 软件锁相原理

传统的软件锁相控制流程原理图如图1所示，图1中的ω0为电网额定频率，三相电网电压Ua、Ub、Uc经过坐标转换后得到Ud、Uq，电网电压相位θ是软件锁相环的输出。整个控制过程通过PI调节达到锁相目的。

与传统软件锁相方法不同，不采用PI调节，由静止三相abc坐标系转换到静止两相αβ坐标系，然后计算电网相位角也能实现锁相功能。

设电网三相电压为正相序时，表达式如下：

（1）

2 软件锁相实现过程

电网相位角可由静止两相αβ坐标系变量的反正切得到，实现锁相功能。除了以上计算实现锁相，经过对Ualfa、Ubeta波形分析，提出一种模拟硬件锁相的控制方法，编程简单，锁相速度快。

正相序或负相序时Ualfa、Ubeta波形如图2所示。

Ubeta波形由负到正过零时（图2中A点），Ualfa数值为正，可以判断电网三相电源电压是正相序;Ualfa数值为负，则是负相序。而且，由于Ualfa与Ubeta相位相差恒定的1/4电网周期，通过图2中A点也可推导出电网A相电压过零点（图2中B点）的发生时刻，由于模拟了硬件锁相的实现过程，所以能快速实现电网电源电压锁相。

采用TMS320F2808为主控芯片，主频为100 MHz，利用通用定时器0计算电网频率。具体实现过程为通用定时器0开启后每33.3 μs进一次中断，在中断中判断图2所示A点发生时刻并计数，相邻两次计数差值与33.3 μs的乘积就是电网周期。例如：通用定时器0每33.3 μs进一次中断，电网周期为20 ms时，那么中断中相邻两次计数差值为600。软件锁相程序流程图如图3所示。

3 实验结果

将本文介绍的锁相方法应用于三相电压型PWM整流器时，为确保装置的安全性，先连续N次锁相并计算电网周期，若电网周期值差异较大则认为锁相不成功并报警;只有连续N次锁相成功后才允许整流器进入正常的工作状态。

此锁相环方法应用于10 kW三相电压型PWM整流器并进行了实验验证，实验结果如图4所示。图4（a）为装置启动过程中的主要波形图，图4（b）为装置稳定运行时的主要波形图。

图4分别给出了A相电网电压Ua与电流的实验波形，可以看出电网电压与电流在启动过程中相位偏差很小，稳定后两者过零点基本重合，由此可见锁相速度快、稳态性能好。

4 结论

静止两相αβ坐标系下电网电压的反正切函数的计算可以得到电网相位角，能实现锁相功能。在软件锁相理论分析的基础上，模拟硬件锁相原理，提出了一种电网相序、A相电压过零点和电网频率的检测方法，由于取消了PI调节，具有编程简单、锁相速度快的优点。该软件锁相方法已经用于10 kW三相电压型PWM整流器，在其他需要软件锁相的工程应用场合也有一定的参考价值。

参 考 文 献

[1]张喻，陈新.基于DSP2812的软件锁相[J].电力电子技术，2008，42（2）：75-77.

[2]刘翔，张爱玲.一种基于TMS320F2812的软件锁相实现方法[J].电力电子技术，2010，44（8）：60-61.

[3]李东，韦统振，霍群海，等.电压畸变条件下软件锁相环精度提高[J].电力电子技术，2011，45（7）：95-97.

[4]吉正华，韦芬卿，杨海英.基于dq变换的三相软件锁相环设计[J].电力自动化设备，2011，31（4）：104-106.

[5]王颢雄，马伟明，肖飛，等.双dq变换软件锁相环的数学模型研究[J].电工技术学报，2011，26（7）：237-241.

[责任编辑：钟声贤]