一种使用ECAP中断实现电压频率和相位跟踪的方法与流程

本发明涉及电压频率和相位跟踪技术领域，尤其涉及一种使用ECAP中断实现电压频率和相位跟踪的方法。

背景技术：

通常柴油发电机组所产生的电能品质无法满足要求，需要借助在线式UPS对机组发出的电能进行变换，进而向负载提供稳压、稳频和波形失真度极小的高品质正弦波电源。对输入电压的频率和相位进行跟踪是在线式UPS的一项关键技术，为保证逆变旁路切换过程不对负载产生过大的冲击，UPS的逆变输出电压必须与输入电压的频率及相位保持一致，因此需要通过技术手段确保输出电压能跟踪输入电压的频率和相位。

现有技术中通常采用模拟锁相环电路,但是模拟控制需要的电路复杂，分立元器件数量多，容易受温度和电磁噪声的影响。而专用的模拟控制芯片虽然简化了控制系统，但反馈控制网络中仍需要大量的电阻电容等模拟器件，存在器件老化和功耗较高的缺点。而使用AD采样的数字锁相环电路，由于AD采样电路的延时，以及模拟信号量化编码过程中的误差，造成使用AD采样的数字锁相环电路实时性不好，控制存在滞后，容易受干扰，输入、输出电压存在相位差。

技术实现要素：

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种使用ECAP中断实现电压频率和相位跟踪的方法，用以解决现有技术中存在的诸多问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

在基于本发明方法的一个实施例中，提供了一种使用ECAP中断实现电压频率和相位跟踪的方法，具体包括：

S1、将输入电压由正弦波转化为方波；

S2、将方波信号输入到控制器的ECAP捕捉引脚，通过ECAP中断来计算方波信号的周期值zc；同时记录中断发生时刻输出电压的相位值，此相位值即为输出电压和输入电压的相位差值deta_p；

S3、根据周期值zc和相位差值deta_p进行频率相位调整，使得输出电压的频率相位跟踪输入电压的频率相位。

进一步，所述步骤S1具体包括：

对输入电压降压、滤波后输入到过零比较器中，将输入电压正弦波中大于0的部分转变为方波的正半周，将输入电压正弦波中小于0的部分转变为方波信号的负半周。

进一步，所述步骤S2具体包括：

控制器为DSP TMS320F28335，将方波信号输入到DSP TMS320F28335的GPIO24引脚，将GPIO24引脚设置为ECAP捕捉引脚，利用DSP的ECAP模块捕捉方波信号的上升沿和下降沿，设置ECAP为连续捕捉模式，当方波信号跳变时，ECAP模块内部定时器进行捕捉，连续两个下降沿之间的时间间隔即为方波信号的周期值。

进一步，所述步骤S3具体包括：

S31、将当前周期值cf赋值为周期值zc，将相位暂存值deta_temp赋值为相位差值deta_p；

S32、根据cf的值判断输入电压是否在要跟踪的频率范围，并设置跟踪标志变量flag_tra_sv的值；

S33、判断跟踪标志量flag_tra_sv的值是否为0x0fff，是，则执行步骤S34进行频率相位的跟踪；否则执行步骤S37，将输入电压频率设置为默认值；

S34、计算输出频率和输入频率的差值deta_f；

S35、根据deta_f、deta_temp的值对输出电压的周期值进行调整；

S36、判断是否为同相位并给相位标识变量synp赋值；

S37、频率相位不跟踪时设置为默认值；

S38、调整EPWM周期寄存器的值。

进一步，所述步骤S32具体包括：

S321、判断跟踪标志量flag_tra_sv的当前值是否为0，

是，则判断输入电压周期值是否在跟踪范围内，是，则跟踪标志量flag_tra_sv＝＝0x0fff，然后执行步骤S322；否，则执行步骤S322；

S322、判断输入电压周期值是否不在跟踪范围内，是，则跟踪标志量flag_tra_sv＝＝0，并执行步骤S33；否，则执行步骤S33。

进一步，所述步骤S34包括：捕获当前输入电压周期值cf,判断cf的值是否大于等于上次捕获的输入电压周期值lf，并将二者的差值赋值给deta_f；

当cf≥lf时，deta_f＝cf-lf；

当cf＜lf时，deta_f＝lf-cf；

进一步，所述步骤S35具体包括：

S351、根据deta_f的值对输出电压的周期值cf进行调整；

cf≥lf：当deta_f<3时，cf＝lf+1；当3≤deta_f<8时，cf＝lf+3；当deta_f≥8时，cf＝lf+5；

cf＜lf：当deta_f<3时，cf＝lf-1；当3≤deta_f<8时，cf＝lf-3；当deta_f≥8时，cf＝lf-5；

S352、根据deta_temp对输出电压的周期值进行调整；

当输出电压相位超前输入电压相位时，增大输出电压的周期值，当输出电压的相位滞后输入电压相位时，减小输出电压的周期值。

进一步，所述步骤S38具体包括：

S381、通过ef＝cf将调整后的数据存储下来，用pwmpr＝ef设置好周期寄存器最终要写入的数据，通过lf＝pwmpr记录当前周期寄存器内写入的值，用于下个循环的频率相位调整；

S382、设置EPWM1和EPWM2周期寄存器的值为pwmpr，从而产生互补的驱动信号驱动IGBT的逆变桥，进而产生频率和相位与输入电压一致的交流电。

进一步，所述步骤为一次频率相位的调整过程，ECAP模块通过中断方式不断获取到输入电压的周期和相位数据，将新采样到的周期和相位数据重新应用到上述调整过程，循环执行，实现输出电压持续跟踪输入电压的频率和相位。

本发明有益效果如下：

使用软件进行锁频、锁相，进而进行频率相位的跟踪，控制方法灵活，简化了控制系统，同时避免使用大量的电阻电容等模拟器件，克服了模拟电路器件老化和功耗较高的缺点。同时使电路具有较好的实时性，克服了控制存在滞后，容易受干扰，输入、输出电压存在相位差等诸多缺点。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为输入电压正弦波转方波硬件电路；

图2为本发明实施例跟踪输入电压频率相位原理图；

图3为频率相位跟踪方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

根据本发明的一个具体实施例，公开了一种使用ECAP(增强型脉冲捕获)中断实现电压频率和相位跟踪的方法，具体包括：

S1、将输入电压由正弦波转化为方波；

对输入电压进行降压、滤波，然后将信号输入到过零比较器中，从而将输入电压正弦波中大于0的部分转变为方波的正半周，将输入电压正弦波中小于0的部分转变为方波信号的负半周，输入电压正弦波转换为方波的硬件电路如图1所示。

S2、将方波信号输入到控制器的ECAP捕捉引脚，通过ECAP中断来计算方波信号的周期值zc；同时记录中断发生时刻逆变器输出电压的相位值，此相位值即为输出电压和输入电压的相位差值deta_p。

控制器为DSP TMS320F28335，方波信号输入到DSP TMS320F28335的GPIO24引脚，将GPIO24引脚设置为ECAP捕捉引脚，利用DSP的ECAP模块捕捉方波信号的上升沿和下降沿，设置ECAP为连续捕捉模式，当方波信号跳变时，ECAP模块内部定时器进行捕捉，连续两个下降沿之间的时间间隔即为方波信号的周期值，让输出电压周期值去跟踪输入电压的周期值，实现频率跟踪，而方波信号的下降沿过零点即为输入电压的零相位点，让输出电压去跟踪输入电压的零相位点，就能实现相位跟踪，使用DSP的ECAP模块跟踪输入电压频率相位原理如图2所示。

优选地，对ECAP模块进行初始化，将ECAP设置成连续捕捉模式，4个捕捉事件分别设置为下降沿、上升沿、下降沿、上升沿捕捉，方波信号的下降沿能触发ECAP中断的发生，将中断发生时刻的计时器值存储进相应的CAP寄存器中，因此方波信号的周期值zc即为：ECap1Regs.CAP3–Ecap1Regs.CAP1，对应输入电压的周期值即为方波信号的周期值。同时记录中断发生时刻逆变器输出电压的相位值，此相位值即为输出电压和输入电压的相位差值deta_p。

S3、根据周期值和相位差值进行频率相位调整，得到EPWM1和EPWM2模块所要设置的周期值，对这两个模块周期寄存器的值进行设置，从而改变驱动IGBT的驱动信号SPWM的频率值，进而改变输出电压的频率和相位，使得输出电压的频率相位跟踪输入电压的频率相位。频率相位跟踪方法流程如图3所示。

具体包括如下子步骤：

S31、对当前周期值cf和相位暂存值deta_temp进行赋值；

将当前周期值cf赋值为周期值zc，将相位暂存值deta_temp赋值为相位差值deta_p。

S32、根据cf的值判断输入电压是否在要跟踪的频率范围，并设置跟踪标志变量flag_tra_sv的值。

S321、判断跟踪标志量flag_tra_sv的当前值是否为0，

是，则判断输入电压周期值是否在跟踪范围内，是，则设置跟踪标志量flag_tra_sv＝＝0x0fff，然后执行步骤S322；否，则直接执行步骤S322；

S322、判断输入电压周期值是否不在跟踪范围内，是，则跟踪标志量flag_tra_sv＝＝0，并执行步骤S33；否，则执行步骤S33；

由于在正常情况下，柴油机组的频率在45Hz～55Hz之间波动，超出这个频率输入范围，频率相位调整子函数不进行跟踪，将输出电压频率固定为50Hz进行输出。当cf的值在跟踪范围内时，设置跟踪标志量flag_tra_sv＝0x0fff，表示要进行频率相位的跟踪；当cf的值不在跟踪范围内时，设置跟踪标志量flag_tra_sv＝0，表示不进行频率相位的跟踪。

S33、判断跟踪标志量flag_tra_sv的值是否为0x0fff，是，则执行步骤S34进行频率相位的跟踪；否则执行步骤S37，将输入电压频率设置为默认值50Hz；

S34、计算输出频率和输入频率的差值deta_f；

将输出电压的频率和相位去跟踪输入电压的频率和相位，捕获当前输入电压周期值cf,判断cf的值是否大于等于上次捕获的输入电压周期值lf，并将二者的差值赋值给deta_f；

当cf≥lf时，deta_f＝cf-lf；

当cf＜lf时，deta_f＝lf-cf；

S35、根据deta_f、deta_temp的值对输出电压的周期值进行调整；

S351、根据deta_f的值对输出电压的周期值进行调整；

cf≥lf：当deta_f<3时，cf＝lf+1；当3≤deta_f<8时，cf＝lf+3；当deta_f≥8时，cf＝lf+5；例如：cf＝7812，lf＝7808，deta_f＝4，由于4的大小介于3和8之间，所以cf＝7808+3，cf值被设置为7811.

cf＜lf：当deta_f<3时，cf＝lf-1；当3≤deta_f<8时，cf＝lf-3；当deta_f≥8时，cf＝lf-5；例如：cf＝7800，lf＝7812，deta_f＝12，由于12>8，所以cf＝7807，cf值被设置为7807。

S352、根据deta_temp对输出电压的周期值进行调整；

根据相位差值deta_temp的大小对cf的值做相应调整，输出电压相位超前时增加cf的值，输出电压相位滞后时减小cf的值。由于在发生ECAP中断时，输入电压此时相位值为0，此时所记录的输出电压相位值即为输出和输入电压的相位差值。根据相位差值来对输出电压的周期值进行调整，当相位差值较大时调整步长较大，相位差值较小时调整步长也相应减小，相位差值小到可以认为输出和输入电压同相时，不进行调整。相位调整的方向为当输出电压相位超前输入电压相位时，增大输出电压的周期值，当输出电压的相位滞后输入电压相位时，减小输出电压的周期值。

具体地，当deta_temp≥382或者deta_temp≤5时，认为输入输出相位一致，此时不进行调整，cf＝cf；

当5<deta_temp≤48时，认为输出电压稍微超前输入电压，此时调整方向为增大输出电压周期值，cf＝cf+1；

当48<deta_temp≤96时，认为输出电压超前输入电压，此时调整方向为增大输出电压周期值，cf＝cf+3；

当96<deta_temp≤192时，认为输出电压过于超前输入电压，此时调整方向为增大输出电压周期值，cf＝cf+5；

当192<deta_temp≤288时，认为输出电压过于滞后输入电压，此时调整方向为减小输出电压周期值，cf＝cf-5；

当288<deta_temp≤336时，认为输出电压滞后输入电压，此时调整方向为减小输出电压周期值，cf＝cf-3；

当336<deta_temp≤382时，认为输出电压稍微滞后输入电压，此时调整方向为减小输出电压周期值，cf＝cf-1；

S36、判断是否为同相位并给相位标识变量synp赋值；

当deta_temp≥380或者deta_temp≤8时，认为此时输出电压相位和输入电压相位一致，此时设置相位标志变量synp的值为0x0fff；否则设置synp的值为0，表示输出电压和输入电压的相位不一致。

S37、频率相位不跟踪时设置为默认值；

输出电压的频率和相位不跟踪输入电压的频率和相位，将输出电压的频率逐渐设置为默认市电频率值50Hz。

S38、调整EPWM周期寄存器的值pwmpr；

S381、将cf赋值给最终周期值ef，将调整后的周期值数据存储下来，用pwmpr＝ef设置好周期寄存器最终要写入的数据，通过lf＝pwmpr记录当前周期寄存器内写入的值，用于下个循环的频率相位调整；

S382、设置EPWM1和EPWM2周期寄存器的值为pwmpr，从而产生互补的驱动信号驱动IGBT(绝缘栅双极型晶体管)的逆变桥的开关打开或断开，进而产生频率和相位与输入电压一致的交流电，实现输入电压的频率和相位跟踪。

上述全部步骤为一次频率相位的调整的过程，该过程放在一个无限循环里执行，ECAP模块通过中断方式不断获取到输入电压的周期和相位数据，将新采样到的周期和相位数据重新应用到上述调整过程，即可实现输出电压持续跟踪输入电压的功能。

有益效果：使用软件进行锁频、锁相，进而进行频率相位的跟踪，控制方法灵活，简化了控制系统，同时避免使用大量的电阻电容等模拟器件，克服了器件老化和功耗较高的缺点。同时使电路具有较好的实时性，克服了控制存在滞后，容易受干扰，输入、输出电压存在相位差等诸多缺点。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。