有源電力濾波器中鎖相倍頻電路的實(shí)現(xiàn)

?有源電力濾波器（Active?Power?Filter,?APF）是一種動(dòng)態(tài)抑制諧波和補(bǔ)償無(wú)功的電力電子裝置。鎖相倍頻電路是有源電力濾波器諧波檢測(cè)模塊的重要組成部分，它的穩(wěn)定性對(duì)有源電力濾波器快速響應(yīng)起到了關(guān)鍵的作用。供電系統(tǒng)的信號(hào)頻率隨負(fù)載的變化在較大的范圍內(nèi)變化，為實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的信號(hào)采樣，DSP必須準(zhǔn)確的知道當(dāng)前信號(hào)的頻率，確保采樣頻率與信號(hào)頻率保持一致。鎖相倍頻電路就是將一個(gè)完整的周期等分成N份，作為DSP的采樣信號(hào)。

1?鎖相倍頻電路的原理

　　鎖相倍頻電路能否實(shí)時(shí)穩(wěn)定的輸出12.8kHz的方波，是整個(gè)檢測(cè)模塊在開(kāi)機(jī)后能否在最短時(shí)間內(nèi)開(kāi)始工作的關(guān)鍵。圖1所示為鎖相倍頻電路的原理框圖。

圖1?鎖相倍頻電路的原理框圖

　　由圖1可以看出，鎖相倍頻電路是一個(gè)閉環(huán)頻率反饋系統(tǒng)，它主要由鑒相器、低通濾波器、壓控振蕩器和累加計(jì)數(shù)器構(gòu)成。

　　鑒相器是使輸出電壓與兩個(gè)輸入信號(hào)之間的相位差有確定關(guān)系的電路，它是鎖相環(huán)PLL（Phase?Locked?Loop）的基本部件之一，鑒相器可以分為模擬鑒相器和數(shù)字鑒相器兩種。

　　鑒相器的輸出信號(hào)包含很多的諧波分量，當(dāng)鎖相環(huán)處于鎖定狀態(tài)時(shí)，這些分量的第一項(xiàng)為“直流”分量，其它頻率的分量為不需要的信號(hào)，而且在鎖相倍頻電路的信號(hào)傳遞中，也會(huì)有高頻噪聲對(duì)信號(hào)產(chǎn)生干擾，這些較高頻率的分量也是不需要的信號(hào)，所以要用低通濾波器將其濾除。在此設(shè)計(jì)中，采用一階低通濾波器。

　　壓控振蕩器是輸出頻率與輸入電壓有對(duì)應(yīng)關(guān)系的振蕩電路VCO（Voltage-controlled?Oscillator），在自動(dòng)頻率控制環(huán)路和鎖相環(huán)環(huán)路中，輸入控制電壓是誤差信號(hào)電壓，壓控振蕩器是環(huán)路中的一個(gè)受控部件。

　　在APF的檢測(cè)系統(tǒng)中，鎖相倍頻電路的輸出作為啟動(dòng)AD采樣的信號(hào)，分頻器將VCO產(chǎn)生的輸出信號(hào)頻率除以N，這個(gè)因子多數(shù)情況下可變或可編程控制，分頻器通常由觸發(fā)器（如RS觸發(fā)器、JK觸發(fā)器或是T觸發(fā)器）級(jí)聯(lián)而成，一個(gè)JK觸發(fā)器可以將加到它的時(shí)鐘輸入端信號(hào)2分頻，兩個(gè)就是4分頻等。

　　在此電路中，使用了二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器CD4040，即其累加數(shù)均為2的倍數(shù)，如要得到256倍，即把輸出信號(hào)從其Q8腳輸出。

2?鎖相倍頻電路的設(shè)計(jì)

　　2.1?過(guò)零檢測(cè)電路

　　過(guò)零檢測(cè)電路原理圖如圖2所示。電路中采用宇波CHV-25P霍爾電壓傳感器，此霍爾電壓傳感器的額定電流為10mA，原邊與副邊匝數(shù)比為2500：1000，所以在將A相電網(wǎng)電壓接入霍爾電壓傳感器前，需要通過(guò)一個(gè)限流電阻進(jìn)行限流，以免電流過(guò)大將霍爾電壓傳感器燒壞，它的M端為副邊電流輸出端，需要加一支采樣電阻，將電阻上的壓降引入一個(gè)由運(yùn)算放大器CA3140及四個(gè)電阻組成的滯回比較器，然后在其輸出端通過(guò)一個(gè)由兩個(gè)二極管組成的鉗位電路之后，將高低電平鎖定為5V和0V，然后再進(jìn)入一個(gè)與非門CD4093，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行整形，將信號(hào)變成高電平為5V，低電平為0V的標(biāo)準(zhǔn)的方波，然后此方波會(huì)作為鎖相倍頻電路的輸入信號(hào)。

圖2?過(guò)零檢測(cè)電路原理圖

2.2?鎖相倍頻電路

　　此鎖相倍頻電路采用了一片鎖相環(huán)芯片74HC4046、一片累加計(jì)數(shù)器CD4040和低通濾波器，其電路連接圖如圖3所示。

圖3?鎖相倍頻電路原理圖

　　A相電壓經(jīng)過(guò)零信號(hào)檢測(cè)電路后得到與A相電壓同步的50Hz方波，作為鎖相倍頻電路的輸入信號(hào)進(jìn)入鎖相環(huán)芯片74HC4046的14號(hào)引腳，4號(hào)引腳是74HC4046內(nèi)部壓控振蕩器的輸出端，其輸出信號(hào)輸入CD4040的10號(hào)引腳，進(jìn)行256倍的倍頻，其倍頻信號(hào)從二進(jìn)制計(jì)數(shù)器CD4040的13號(hào)引腳輸出又進(jìn)入74HC4046的3號(hào)引腳，即比較信號(hào)輸入端，74HC4046內(nèi)部的相位比較器對(duì)兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行相位比較后，從相位比較器Ⅱ的輸出端13號(hào)引腳輸入，經(jīng)過(guò)由?、?和?組成的低通濾波器，將高頻噪聲濾除后，再進(jìn)入74HC4046的內(nèi)部壓控振蕩器，作為其控制信號(hào)，從上述過(guò)程可以看到這是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)不斷的調(diào)節(jié)，使輸出信號(hào)頻率為輸入信號(hào)頻率的256倍，并且使輸入信號(hào)與比較信號(hào)的頻差為零。

3?實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

　　過(guò)零檢測(cè)電路在外加信號(hào)頻率為50Hz正弦波時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形圖如圖4所示。

圖4?過(guò)零信號(hào)與正弦波形

　　圖5所示為所設(shè)計(jì)的鎖相倍頻電路的輸出實(shí)驗(yàn)波形。

圖5?鎖相倍頻電路輸出的12.82kHz方波

　　壓控振蕩器的輸入電壓來(lái)自于低通濾波器的輸出，所以輸出頻率會(huì)有一定的波動(dòng)，此鎖相倍頻電路的輸出頻率范圍在12.77kHz-12.82kHz。鎖相倍頻電路輸出的頻率在被DSP捕捉到后就會(huì)啟動(dòng)AD7656對(duì)信號(hào)采樣，由于輸出頻率的脈動(dòng)，采樣點(diǎn)的正弦和余弦值可能會(huì)與表中存儲(chǔ)的正弦和余弦表有一定誤差。在滿足鎖相速度的前提下，應(yīng)當(dāng)盡可能減小低通濾波器的截止頻率，以減小輸出頻率的波動(dòng)。