6.1.2 基于锁相环的频率跟踪方案
锁相环技术已广泛应用于工业自动化系统、通信系统的一些常用信号处理方法中。它主要由三个基本单元构成:相位比较器、压控振荡器和外接的无源低通滤波器。集成锁相环功能框图如图6.2所示。
图6.2 集成锁相环功能框图
施加于相位比较器的有输入信号U i(t)和压控振荡器的输出信号U o(t)。相位比较器输出信号U e(t)正比于U i(t)和U o(t)的相位差。U e(t)经低通滤波器滤去高频成分后得到一个平均电压U d(t),该电压信号控制压控振荡器的频率变化,使输入与输出信号频率之差不断减少,直到这个差值为零时锁定,实现频率跟踪。
当锁相环锁定时,压控振荡器能使其输出信号频率跟踪输入信号频率变化,锁定范围以f LR表示,锁相环能捕捉的输入信号频率称为捕捉范围,以f CR表示。
低通滤波器的时间参数决定了跟随输入信号的速度,同时也限制了锁相环的捕捉范围。
本节提出基于锁相环的自适应频率跟踪控制电路,该电路的作用就是实现实时获取逆变驱动电路电流相位和压电变压器谐振支路电流的相位,并控制驱动频率始终能保持上述两电流相位差为一定值,以使电路在工作环境变化的情况下,能保持软开关的操作并获得尽可能大的升压比和较高的效率。
1.采样电路
当压电变压器应用整流电路给出直流输出时,电路没有可以直接测量谐振支路电流的理想物理测试端,只能通过间接测试方法来获得谐振电流的相位,前文提到的在压电变压器的地端与电路的地端之间串接电阻,通过测量电阻的分压值来得到谐振电流值的方法,显然不适合现在的应用场合。这是因为谐振电流本身很小,特别是在充电的初期,若选择的测试电阻太大,则测试电阻会影响谐振支路的工作点,当测试电阻选择小于支路等效电阻一个数量级时,测量值太小,为了获取其准确的相位值需要加额外的信号放大电路,且测量值在整个工作周期内变化较大,这将大幅增加信号处理电路的复杂性。
在前面分析倍压整流电路工作过程的波形时,可以看出流经两个高频整流二极管的电流均可视为谐振电流的采样值,完全能反映谐振电流的相位值,特别对于流经二极管D3的电流,其反向后上升沿刚好与谐振电流的正弦零起始位置相重合,所以本书采用通过测量二极管D3电流的方法来获取谐振支路电流的相位信息。此外,该方法的测量结果不受导通角变化的影响,测量值的大小适合后期处理且基本保持不变,这将大大简化采样电路的复杂程度。
对于逆变电路中谐振电流相位的获取,由式(6.11)和式(6.12)可得,谐振电流与压电变压器的输入电压交流量之间差π/2相位。所以可以通过测量压电变压器的输入电压交流量相位来替代逆变驱动电路中的谐振电流相位。记u S1(ac)与i r之间的相位差为β,由式(6.6)可得
图5.22显示,变压器输入电压的最大幅值在整个充电过程中基本保持不变,所以可以通过设置比较电路的参考电压值实现β角的相位补偿。
综上分析,可以得到如图6.3所示的采样电路实现方案。图中的隔直电容C g选取要远大于压电变压器的输入电容,这里取0.22μF,占空比取0.2时,可得β为53°,将逆变驱动电路参数代入式(6.11)和式(6.12),本书确定当参考电平U ref2取3.6 V时,采样电路R C1、R C2均取10 MΩ,参考电平U ref1取0.3 V。
图6.3 采样电路实现方案示意图
2.频率跟踪控制
在上节给出的采样电路基础上,可以得到基于自适应频率跟踪控制的高压变换器实现原理图(如图6.4所示)。
系统工作过程为,首先由专用集成电路输出一个启动频率信号给开关S1,变换器开始工作,采样电路对谐振支路电流以及变压器输入交流电压进行采样比较,并最终输出两个方波信号送入锁相环的相位比较器,锁相环的压控振荡器根据相位比较器的相位比较差,调整输出一频率信号,系统地比较和驱动电路采集输出电压信息连同锁相环输出的频率信号,控制输出一个频率与锁相环输出一致、占空比基本恒定的方波信号,驱动开关S1的动作,最终稳定输出电压在预设范围内。
图6.4 频率跟踪系统实现原理图