基于代碼生成技術的單相鎖相環控制策略研究

婁曉琪

（石家莊鐵路職業技術學院 河北石家莊 050000）

1 引言

傳統的代碼開發模式主要采用人工手寫代碼的方式，存在著需求分析錯誤、項目前期開發投入大、開發周期長手寫代碼良莠不齊等缺點，限制了復雜控制系統開發效率和準確度的提升。

基于Simulink 模型設計的開發模式能夠有效降低嵌入式系統的開發門檻，通過Simulink/Stateflow建立系統模型，利用RTW-EC 自動生成可優移植的產品級C 代碼，并根據特定的配置自動生成系統應用程序，同時全流程的快速開發工具鏈為系統開發提供了有力的工具。在開發控制系統時，能夠減少對于底層代碼的關注，從而將更多地精力集中于模型的建立以及優化上，縮短系統開發時間。

本文針對單相電力鎖相環的相位跟蹤算法，在Matlab/Simulink 軟件中搭建系統模型，利用基于模型設計的方法成嵌入式代碼，通過DSP28335[3]開發平臺實現DAC 正弦及相位的信號的輸出，驗證了自動代生成技術能夠高效可靠地實現控制算法的設計與驗證。

2 單相電力鎖相環的仿真建模

電網電壓的相位檢測法主要分為以下幾種[4]：硬件電路過零法、基于基波傅里葉變換計算相位法、基于三相dq 變換的鎖相環方法、基于單相dq 變換的鎖相環方法等，由于單相鎖相環能夠避免過多引入硬件、且在不對稱工況下也能夠正產運行，因此采用單相鎖相環的控制策略。

對單相鎖相的原理進行分析。設電網電壓為：

ω0為電網角頻率，，Φ0為電網電壓相位，ε0為電網檢測誤差分量及諧波。

假設生成的信號為：

ω1 為跟蹤信號角頻率，Φ1 為跟蹤信號相位。將(1)及(2)式相乘得到：

由公式（4）可知，其中共有三項分量，第一分量是100Hz 的正弦波動分量，第二分量是直流分量，第三是高頻諧波引起的干擾。將相乘結果送入到平均值濾波器濾去2 倍頻分量及諧波分量。當系統處于穩態時刻：

圖1 單相鎖相環原理圖

將相位差與參考值0 做差后送入PI 控制器進行相位跟蹤。其基本調節過程為，若跟蹤信號相位滯后輸入電網電壓信號，則數字PI 調節器增大輸出ω值，最終使跟蹤信號相位趕上電網相位。當跟蹤信號相位超前電網電壓信號相位，則數字PID 調節器輸出ω值，最終使跟蹤信號相位趕上電網相位。當系統調蹤信號和電網相位相等。

基于模型設計的方法實現單相電力鎖相環的檢測算法首先在Simulink 軟件搭建仿真模型，將輸入信號設置為正弦函數，相位輸出信號通過余弦函數與輸入信號相乘，仿真模型如圖2。

圖2 單相鎖相環仿真模型

仿真結果如圖3 所示，為便于觀測將系統信號放大兩倍，將鎖相環輸出相位與系統電壓放置于同一坐標系，分析波形可以得出結論：單相鎖相環能夠準確地跟蹤正弦信號相位，實現鎖相功能。

圖3 系統電壓及輸出相位波形圖

3 單相鎖相環自動代碼生成及驗證

在Matlab/Simulink 中搭建代碼生成模型。其中ADC 模塊系統為Simulink 硬件支持包自帶的ADC采樣模塊，主要作用為采集外部帶有直流偏置的正弦信號，并將采樣信號傳遞至交流信號提取模塊中，設置ADC 采樣時間為5e-5s,利用軟件查詢方式（software 方式）進行采樣，采樣通道設置為ADCA0 通道，將采集數據類型設置為single。

圖4 Simulink 單相鎖相環代碼自動成模型

由于ADC 采樣值為正值，參與鎖相環計算的正弦波為正負變化的正弦波，因此需要將直流量轉換為交流量進行計算。將ADC 采樣信號縮小后引入活動平均值濾波器[5]。Simulink 濾波器模型如圖5。設置采樣周期為5e-5s，假設二倍頻分量為周期為0.01s,得到一周波的延時d=400 拍。

圖5 Simulink 滑動濾波器模型

為消除鑒相器產生的二倍頻分量，將輸入信號積分后延遲與原信號相即可消除二倍頻分量。設置采樣周期為5e-5s，假設二倍頻分量為周期為0.01s,得到一周波的延時d=200 拍。

利用SPI 串口輸出數據至TLV5620 數模轉換芯片，利用數字示波器觀測系統電壓及計算相位信息。

在自動生成的CCS 文件中添加添加驅動代碼：①在board.c 文件中添加代碼，將與TLV5620DAC芯片相連接的復用GPIO 配置為SPI 數據輸出口。②在adc.c 文件中進行spi 波特率等配置。③在生成的Simulink 同名.c 文件中的step 子函數中添加DAC 輸出函數。輸出信息主要有相位值及至以及相位的正弦函數。

示波器輸出如圖6，CH1 通道為系統電壓，CH2 通道為單相鎖相環相位的正弦值DAC 輸出。輸出正弦值與系統電壓波形頻率相同，鎖相環能夠準確跟蹤系統相位。

圖6 DAC 系統電壓及相位信息輸出

將相位信息的正弦值導出為CSV 格式，并利用MATLAB/Simulink 進行FFT 分析，結果如圖7，正弦輸出為50Hz 基頻分量疊加直流分量，THD 為4.93%，驗證了輸出相位正弦波的DAC 信號具有較低的畸變率及較高的平滑度。

圖7 DAC 相位輸出FFT 分析

4 結論

仿真及實驗表明，基于MATLAB 自動生成代碼的方式能夠極大的加快嵌入式控制系統的開發進程，為電力電子控制系統的快速開發及算法驗證提供了有利的工具。