在三相电压型PWM整流器、有源滤波器、并网发电等电力电子装置的控制中，广泛使用锁相技术获得瞬时相位信息，以提供计算基准，其性能对于整个系统性能的影响至关重要。准确而快速地获得电网电压的相位角是保证系统具有良好稳态和动态性能的前提。

传统的硬件锁相方法采用电压过零锁相电路，依赖于电压信号零点时刻的检测[1]。当系统存在谐波、频率突变、相位突变等电压畸变以及三相电压不平衡情况下，电压信号零点与基波零点不一致，甚至有可能在基波零点附近有多个信号过零点，很难保证相位的同步和精度，且动态性能较差。因此，要满足现代电力电子技术的需要，就必须研究使用高精度锁相跟踪检测技术。在存在电压畸变如谐波、频率突变、相位突变以及三相不平衡条件下，锁相电路必须能够快速、准确地锁定电压相位。

本文介绍一种三相电压的软件锁相方法。用软件锁相取代硬件锁相，摆脱了复杂的硬件电路设计，且修改参数简单方便，具有很好的扩展性。在波形畸变、相位突变等条件下，都具有良好的抗干扰能力，能以较快速度、较高精度实现锁相。

1 软件锁相环原理

三相不平衡电压的正序分量可以表示为

                        （1）

式中， 为空间电压矢量的相位，A为相电压的峰值。

采用等功率坐标变换

              (2)

得到两相同步旋转坐标系中输入电压的正序分量为

                           (3)

式中， 为电压相位 的跟踪值。当相位跟踪误差很小时，有

                    (4)

分析式(4)，当电压相位锁定时，有 。此时同步坐标系中，电压d轴分量（无功分量）应该为零，即 。所以可以设计 的误差调节器来实现相位的跟踪。设定电压d轴分量的指令值为 ，当 无误差地跟踪其指令值时，满足 ，调节器的输出作为电压矢量的同步相位，这样就达到了锁相的目的。

通过以上分析，可得三相软件锁相环的结构如图1所示。

 

图1  软件锁相环的设计框图

 的误差控制采用PI调节， PI调节器的输出作为相位角频率的误差。为了实现快速跟踪，加上初始工频角频率 ，得到的跟踪角频率经过积分即为所需的跟踪相位。

2 软件锁相环的参数设计与仿真实验

图1软件锁相系统的传递函数如图2所示。图中 、 为PI调节器的参数。

 

图2 软件锁相系统传递函数

根据图2，系统的开环传递函数为

                           (5)

闭环传递函数为

                              (6)

如果系统采用典型II型系统的设计[2]，可以得到系统的阻尼比 和自然振荡频率 为

                            (7)

由式(7)求得PI调节器参数为

                                (8)

按照工程设计要求，取 、 ，则 、 。根据图2，采用Saber软件设计了该软件锁相方法的仿真实验。经过参数整合后取 、 ，相位跟踪情况如图3所示。

 

图3 软件锁相仿真图

由上图可以看出，设计的软件锁相方法在几个电网电压周期内便实现了相位的完全跟踪，达到了相位跟踪快速、准确的要求。

3 软件锁相的DSP实现

根据以上的分析，可以设计基于DSP的软件锁相环模块[3]。该模块程序编写主要包括以下几部分：模块初始化、读取输入电压存储值，坐标变换，PI调节器的运算，积分运算等。其程序流程图如图4所示。

 

图4 软件锁相环程序流程图

 

4 结束语

针对传统的硬件锁相方法存在的问题，提出了一种软件锁相发法，通过同步旋转坐标跟踪，达到了相位锁定的目的。仿真结果表明，该锁相环动态响应速度快，稳态性能好，实现了对电网电压相位的跟踪。给出了基于DSP的软件锁相环程序流程。该方法在工程应用上具有一定的参考价值。

 

                                    参 考 文 献

[1] M Karimi-Ghartemani，M R Iravani．A Method for Synchronization of Power Electronic Converters in Polluted and Variable-frequency Environments[J]．IEEE Trans．on Power Systems，2004，19：1263～1270．

[2] Richard C Dof，Robert H Bishop．现代控制系统[M]．北京：高等教育出版社，2001．

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