專利名稱：采用軟件實(shí)現(xiàn)單相鎖相環(huán)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鎖相環(huán)的實(shí)現(xiàn)方法，尤其涉及一種采用軟件實(shí)現(xiàn)單相 鎖相環(huán)的方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中獲得系統(tǒng)基波相位與頻率的信息通常采用模擬鎖相環(huán)、數(shù) 字鎖相環(huán)技術(shù)。
兩者都是采用硬件實(shí)現(xiàn)。模擬鎖相環(huán)存在的問題是直流零點(diǎn)漂移、 器件飽和、失鎖等問題；而數(shù)字鎖相環(huán)同樣對器件的要求較高，雖然通過 采用數(shù)字電路設(shè)計(jì)，能保證鎖相環(huán)的實(shí)時(shí)性，但是設(shè)計(jì)低通濾波器存在著 困難。
但由于這兩種方法都依賴于過零比較的方法，而實(shí)際電力系統(tǒng)中的電 壓電流波形還存在諧波干擾，從而使得檢測結(jié)果出現(xiàn)較大的誤差。
由圖1可見該鎖相實(shí)現(xiàn)方法的具體步驟是采用過零比較將輸入電 壓轉(zhuǎn)換為方波，送PLL芯片如(CD4046)，得到電壓的相位信息。若要得到 一個(gè)同相位的標(biāo)準(zhǔn)信號，可將信號信息，存儲在EPR0M， FLASH等存儲芯片 中，利用相位信息讀出其中數(shù)據(jù)，經(jīng)D/A變換即可。這種方案原理和結(jié)構(gòu) 都較簡單，在工程上得到了大量的使用。但采用這種方法， 一個(gè)工頻周期 只能比較兩次，動態(tài)性能較差。并且當(dāng)網(wǎng)側(cè)電壓中有較高的諧波含量或二 相不平衡時(shí)，就不能準(zhǔn)確地確定基波正序的過零點(diǎn)，從而對鎖相精度造成 影響。在現(xiàn)有技術(shù)中也有采用軟件實(shí)現(xiàn)單相鎖相環(huán)方法，例如雙校正軟件鎖 相環(huán)實(shí)現(xiàn)方法。該方法是使用了多個(gè)低通濾波器，并使用了反正切函數(shù)； 但由于在DSP程序運(yùn)行時(shí)，調(diào)用這些函數(shù)會降低程序運(yùn)行時(shí)間，影響了鎖 相環(huán)的跟蹤速度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是提供了一種采用軟件實(shí)現(xiàn)單相鎖相環(huán)的 方法，旨在解決上述的問題。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是通過以下步驟實(shí)現(xiàn)的-
以標(biāo)準(zhǔn)信號為基準(zhǔn)，構(gòu)造a-^坐標(biāo)系下的輸入信號；
通過基于瞬時(shí)無功理論的力^變換^軸分量的輸出進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，以PI 調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)的輸出進(jìn)行頻率校正，利用頻率校正環(huán)節(jié)的輸出信號為基準(zhǔn)，利 用積分環(huán)節(jié)進(jìn)行相位校正；
設(shè)計(jì)低通濾波器，保證鎖相環(huán)的跟蹤速度和精度；
采用16位定點(diǎn)TMS320C2812 DSP編程，加快運(yùn)算速度。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是采用閉環(huán)控制，穩(wěn)定性高， 跟蹤速度較快，暫態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于0.04s，鎖相頻率范圍較寬，約45Hz — 55Hz，不會受到系統(tǒng)電壓或電流的諧波和瞬時(shí)波動的干擾，能精確快速的 跟蹤電力系統(tǒng)中電壓和電流的基波頻率和相位信息，為有源濾波器，動態(tài) 電壓調(diào)節(jié)器等裝置提供系統(tǒng)同步頻率信號。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)中過零比較鎖相技術(shù)的原理圖2是本發(fā)明的原理圖3是本發(fā)明步驟1中旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換圖
圖4是本發(fā)明的Mat lab仿真結(jié)構(gòu)圖5是本發(fā)明的Matlab仿真結(jié)果具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述
由圖2可見，本發(fā)明是通過以下步驟實(shí)現(xiàn)的
以標(biāo)準(zhǔn)信號為基準(zhǔn)，構(gòu)造"-Z 坐標(biāo)系下的輸入信號l;
通過基于瞬時(shí)無功理論的由^變換《軸分量的輸出進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，以PI 調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)的輸出進(jìn)行頻率校正，利用頻率校正環(huán)節(jié)的輸出信號為基準(zhǔn)，利 用積分環(huán)節(jié)進(jìn)行相位校正2;
瞬時(shí)無功理論突破以平均值為基礎(chǔ)的功率定義，系統(tǒng)地定義了瞬時(shí)無 功功率、瞬時(shí)有功功率等瞬時(shí)功率量；通過對三相電路的電流、電壓量進(jìn) 行矩陣變換，從而求得瞬時(shí)的有功功率和無功功率；
設(shè)計(jì)低通濾波器，保證鎖相環(huán)的跟蹤速度和精度3;
采用16位定點(diǎn)TMS320C2812 DSP編程，加快運(yùn)算速度4。 在步驟1中，構(gòu)造無延時(shí)的虛擬《-p坐標(biāo)信號(如圖3所示)
<formula>formula see original document page 6</formula>
考慮一般情況，設(shè)所測某單相基波相電壓幅值為R、初相位為q;將 擾動表示成高頻信號的疊加，"次高頻分量的幅值為K、初相位為p";則此 相電壓表示為
如圖4所示，如果系統(tǒng)頻率為"，貝Uc/i旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系相對于a-〃靜止坐
標(biāo)系以角速度w旋轉(zhuǎn)，此時(shí)電壓基波相量^與"-g旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系同步旋轉(zhuǎn)；可
將電壓基波相量^在《-/7靜止坐標(biāo)系上分別投影為" =^/,咖(紐+爐,)和
在dl旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上分別投影為
據(jù)所測電壓來構(gòu)造出一個(gè)《-/ 靜止坐標(biāo)系，令當(dāng)前所測電壓為《-"靜止坐標(biāo) 系上的分量t^，即有同樣以所測電壓來構(gòu)造《-/ 靜止坐標(biāo)系上的分量"。，令90。前的所測電
壓為"。，艮<formula>formula see original document page 7</formula>經(jīng)^i變換后可得到
<formula>formula see original document page 7</formula>其中<formula>formula see original document page 7</formula>經(jīng)過濾去高頻分量后，得到 兩個(gè)直流分量^和"g ，即 =c。s A禾口 =[/, Sin A ;
在實(shí)際的數(shù)據(jù)處理過程中，由于構(gòu)造"-"靜止坐標(biāo)系會產(chǎn)生90°的延 時(shí)，因此，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)可考慮求導(dǎo)的方法來構(gòu)造另一相，從而消除 時(shí)延；
在步驟2中構(gòu)造好了aj坐標(biāo)系后，進(jìn)行"-g變換后，得到 分量<formula>formula see original document page 7</formula>
假設(shè)輸入信號角頻率大于q，則",為一變化的交流量，此時(shí)經(jīng)pi調(diào)節(jié) 器(現(xiàn)有技術(shù)pi調(diào)節(jié)器實(shí)際是一個(gè)放大系數(shù)可自動調(diào)節(jié)的放大器，動態(tài)時(shí)，
放大系數(shù)較低，是為了防止系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)與振蕩；靜態(tài)時(shí)，放大系數(shù)較高， 可以蒱捉到小誤差信號，提高控制精度。)后輸出A氣，此量使得 中的角
頻差減小，直至^= 時(shí)，這時(shí) 為一直流量，此時(shí)進(jìn)行初相位調(diào)整，由于
有直流量的輸入導(dǎo)致鎖相環(huán)輸出頻率進(jìn)一步加大，使得輸出的相位得到調(diào) 整，這時(shí) 又為一變化交流量，系統(tǒng)又進(jìn)入角頻率調(diào)整階段，經(jīng)過如此反
復(fù)過程，最終得到輸入信號與鎖相環(huán)輸出完全同步；
考慮到輸入信號中如果有諧波的存在，會影響求導(dǎo)得到的電壓量，但由 于控制系統(tǒng)中存在積分環(huán)節(jié)和低通濾波器，對這些畸變量有著很好的抑制作用，所以對輸出的結(jié)果影響不大。
在程序編寫時(shí)，僅對 分量進(jìn)行公式的計(jì)算，縮短了程序長度，提高了
運(yùn)算速度。
在步驟3中使用一階的巴特沃斯濾波器，截至頻率為25Hz;
巴特沃斯濾波器是電子濾波器的一種。巴特沃斯濾波器的特點(diǎn)是通頻 帶的頻率響應(yīng)曲線最平滑。這種濾波器最先由英國工程師斯替芬.巴特沃斯
(StephenButterworth)在1930年發(fā)表在英國《無線電工程》期刊的一篇論 文中提出的。巴特沃斯濾波器的特點(diǎn)是通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線最大限度 平坦，沒有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零。在振幅的對數(shù)對角頻率的 波得圖上，從某一邊界角頻率開始，振幅隨著角頻率的增加而逐步減少，趨向 負(fù)無窮大。
在步驟4中采用定點(diǎn)的16位TMS320C2812DSP實(shí)現(xiàn)單相軟件鎖相環(huán)， 程序編寫使用IQMath庫函數(shù)；
可極大提高鎖相環(huán)運(yùn)算速度，該程序運(yùn)行穩(wěn)定，效果良好。
本發(fā)明第一，由于使用單相求導(dǎo)的方法構(gòu)造兩相坐標(biāo)系，可減少了移 相90°帶來的延時(shí)；第二，運(yùn)算速度快，抗干擾性強(qiáng)；第三，可以消除諧 波量對鎖相的干擾，解決了由于多次過零導(dǎo)致鎖相失效的問題；第四，控 制器采用TMS320C2812DSP編程，提高了運(yùn)算能力。
由圖5可見在仿真中，電源信號含有l(wèi)KHz諧波分量10%，同時(shí)測試 相位跳變90。，該鎖相環(huán)經(jīng)過30ms后基本完全跟蹤上實(shí)際信號。
權(quán)利要求
1.一種采用軟件實(shí)現(xiàn)單相鎖相環(huán)的方法，是通過以下步驟實(shí)現(xiàn)的以標(biāo)準(zhǔn)信號為基準(zhǔn)，構(gòu)造α-β坐標(biāo)系下的輸入信號(1)；通過基于瞬時(shí)無功理論的dq0變換q軸分量的輸出進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，以PI調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)的輸出進(jìn)行頻率校正，利用頻率校正環(huán)節(jié)的輸出信號為基準(zhǔn)，利用積分環(huán)節(jié)進(jìn)行相位校正(2)；設(shè)計(jì)低通濾波器，保證鎖相環(huán)的跟蹤速度和精度(3)；采用16位定點(diǎn)TMS320C2812 DSP編程，加快運(yùn)算速度(4)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用軟件實(shí)現(xiàn)單相鎖相環(huán)的方法，在步驟(l) 中，構(gòu)造無延時(shí)的虛擬《-/ 坐標(biāo)信號、COS Asin義、__ _一sin Acos A_，設(shè)所測某單相基波相電壓幅值為M、初相位為^;將擾動表示成高頻 信號的疊加，"次高頻分量的幅值為f/"、初相位為^;則此相電壓表示為w = (7, sin(W + A) + Ssin(柳f + P )如果系統(tǒng)頻率為w，貝i」^-^旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系相對于"-^靜止坐標(biāo)系以角速度 旋轉(zhuǎn)，此時(shí)電壓基波相量^7與"-《旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系同步旋轉(zhuǎn)；可將電壓基波相 量^在a-p靜止坐標(biāo)系上分別投影為"^C/,c。s一 + ^^11"^(7,sin(紐+ p,)，在 rfl旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上分別投影為",C/,e。^和",C/,sit^;根據(jù)所測電壓來構(gòu)造出 一個(gè)《-/ 靜止坐標(biāo)系，令當(dāng)前所測電壓為《-P靜止坐標(biāo)系上的分量""即有 w- = w =仏sin(6;f + A) + Ssin(w^ + P );同樣以所測電壓來構(gòu)造《-/ 靜止坐標(biāo)系上的分量""，令90。前的所測電壓為"。，艮P、二 t/, sin(加+ a + ;r / 2) + Z K sin(柳f + + wr / 2)經(jīng)^1變換后可得到<formula>formula see original document page 3</formula>。經(jīng)過濾去高頻分量后，得到 兩個(gè)直流分量 和 ，即 rf = f/, c。s^和 =t/, sin A ;在步驟(2)中構(gòu)造好了aj坐標(biāo)系后，進(jìn)行c/l變換后，得到^分<formula>formula see original document page 3</formula>假設(shè)輸入信號角頻率大于^，則 為一變化的交流量，此時(shí)經(jīng)pi調(diào)節(jié)器后輸出A^，此量使得t^中的角頻差減小，直至《1= 時(shí)，這時(shí)",為一直流量，此時(shí)進(jìn)行初相位調(diào)整，由于有直流量的輸入導(dǎo)致鎖相環(huán)輸出頻率進(jìn) 一步加大，使得輸出的相位得到調(diào)整，這時(shí)^又為一變化交流量，系統(tǒng)又進(jìn)入角頻率調(diào)整階段，經(jīng)過如此反復(fù)過程，最終得到輸入信號與鎖相環(huán)輸 出完全同步；在步驟(3)中使用一階的巴特沃斯濾波器，截至頻率為25HZ;在步驟(4)中采用定點(diǎn)的16位TMS320C2812DSP實(shí)現(xiàn)單相軟件鎖相 環(huán)，程序編寫使用IQMath庫函數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采用軟件實(shí)現(xiàn)單相鎖相環(huán)的方法，包括以下步驟以標(biāo)準(zhǔn)信號為基準(zhǔn)，構(gòu)造α-β坐標(biāo)系下的輸入信號(1)；通過基于瞬時(shí)無功理論的dq0變換q軸分量的輸出進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，以PI調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)的輸出進(jìn)行頻率校正，利用頻率校正環(huán)節(jié)的輸出信號為基準(zhǔn)，利用積分環(huán)節(jié)進(jìn)行相位校正(2)；設(shè)計(jì)低通濾波器，保證鎖相環(huán)的跟蹤速度和精度(3)；采用16位定點(diǎn)TMS320C2812 DSP編程，加快運(yùn)算速度(4)；采用閉環(huán)控制，穩(wěn)定性高，跟蹤速度較快，暫態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于0.04s，鎖相頻率范圍較寬，約45Hz-55Hz，不會受到系統(tǒng)電壓或電流的諧波和瞬時(shí)波動的干擾，能精確快速的跟蹤電力系統(tǒng)中電壓和電流的基波頻率和相位信息，為有源濾波器，動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器等裝置提供系統(tǒng)同步頻率信號。
文檔編號H03L7/08GK101291150SQ20071003976
公開日2008年10月22日 申請日期2007年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月20日
發(fā)明者董祖毅, 陳國棟 申請人:上海輸配電股份有限公司