采用软件实现单相锁相环的方法技术

本发明专利技术涉及一种采用软件实现单相锁相环的方法，包括以下步骤：以标准信号为基准，构造α－β坐标系下的输入信号（１）；通过基于瞬时无功理论的ｄｑ０变换ｑ轴分量的输出进行ＰＩ调节，以ＰＩ调节环节的输出进行频率校正，利用频率校正环节的输出信号为基准，利用积分环节进行相位校正（２）；设计低通滤波器，保证锁相环的跟踪速度和精度（３）；采用１６位定点ＴＭＳ３２０Ｃ２８１２ＤＳＰ编程，加快运算速度（４）；采用闭环控制，稳定性高，跟踪速度较快，暂态响应时间小于０．０４ｓ，锁相频率范围较宽，约４５Ｈｚ－５５Ｈｚ，不会受到系统电压或电流的谐波和瞬时波动的干扰，能精确快速的跟踪电力系统中电压和电流的基波频率和相位信息，为有源滤波器，动态电压调节器等装置提供系统同步频率信号。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种锁相环的实现方法，尤其涉及一种采用软件实现单相 锁相环的方法。
技术介绍
现有技术中获得系统基波相位与频率的信息通常采用模拟锁相环、数 字锁相环技术。两者都是采用硬件实现。模拟锁相环存在的问题是直流零点漂移、 器件饱和、失锁等问题；而数字锁相环同样对器件的要求较高，虽然通过 采用数字电路设计，能保证锁相环的实时性，但是设计低通滤波器存在着 困难。但由于这两种方法都依赖于过零比较的方法，而实际电力系统中的电 压电流波形还存在谐波干扰，从而使得检测结果出现较大的误差。由图1可见该锁相实现方法的具体步骤是采用过零比较将输入电 压转换为方波，送PLL芯片如(CD4046)，得到电压的相位信息。若要得到 一个同相位的标准信号，可将信号信息，存储在EPR0M， FLASH等存储芯片 中，利用相位信息读出其中数据，经D/A变换即可。这种方案原理和结构 都较简单，在工程上得到了大量的使用。但采用这种方法， 一个工频周期 只能比较两次，动态性能较差。并且当网侧电压中有较高的谐波含量或二 相不平衡时，就不能准确地确定基波正序的过零点，从而对锁相精度造成 影响。在现有技术中也有采用软件实现单相锁相环方法，例如双校正软件锁 相环实现方法。该方法是使用了多个低通滤波器，并使用了反正切函数； 但由于在DSP程序运行时，调用这些函数会降低程序运行时间，影响了锁 相环的跟踪速度。
技术实现思路
本专利技术需要解决的技术问题是提供了一种采用软件实现单相锁相环的 方法，旨在解决上述的问题。为了解决上述技术问题，本专利技术是通过以下步骤实现的-以标准信号为基准，构造a-^坐标系下的输入信号；通过基于瞬时无功理论的力^变换^轴分量的输出进行PI调节，以PI 调节环节的输出进行频率校正，利用频率校正环节的输出信号为基准，利 用积分环节进行相位校正；设计低通滤波器，保证锁相环的跟踪速度和精度；采用16位定点TMS320C2812 DSP编程，加快运算速度。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是采用闭环控制，稳定性高， 跟踪速度较快，暂态响应时间小于0.04s，锁相频率范围较宽，约45Hz — 55Hz，不会受到系统电压或电流的谐波和瞬时波动的干扰，能精确快速的 跟踪电力系统中电压和电流的基波频率和相位信息，为有源滤波器，动态 电压调节器等装置提供系统同步频率信号。 附图说明图1是现有技术中过零比较锁相技术的原理图2是本专利技术的原理图3是本专利技术步骤1中旋转坐标变换图图4是本专利技术的Mat lab仿真结构图5是本专利技术的Matlab仿真结果具体实施例方式下面结合附图与具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述由图2可见，本专利技术是通过以下步骤实现的以标准信号为基准，构造"-Z 坐标系下的输入信号l;通过基于瞬时无功理论的由^变换《轴分量的输出进行PI调节，以PI 调节环节的输出进行频率校正，利用频率校正环节的输出信号为基准，利 用积分环节进行相位校正2;瞬时无功理论突破以平均值为基础的功率定义，系统地定义了瞬时无 功功率、瞬时有功功率等瞬时功率量；通过对三相电路的电流、电压量进 行矩阵变换，从而求得瞬时的有功功率和无功功率；设计低通滤波器，保证锁相环的跟踪速度和精度3;采用16位定点TMS320C2812 DSP编程，加快运算速度4。 在步骤1中，构造无延时的虚拟《-p坐标信号(如图3所示)<formula>formula see original document page 6</formula>考虑一般情况，设所测某单相基波相电压幅值为R、初相位为q;将 扰动表示成高频信号的叠加，"次高频分量的幅值为K、初相位为p";则此 相电压表示为如图4所示，如果系统频率为"，贝Uc/i旋转坐标系相对于a-〃静止坐标系以角速度w旋转，此时电压基波相量^与"-g旋转坐标系同步旋转；可将电压基波相量^在《-/7静止坐标系上分别投影为" =^/,咖(纽+炉,)和在dl旋转坐标系上分别投影为据所测电压来构造出一个《-/ 静止坐标系，令当前所测电压为《-"静止坐标 系上的分量t^，即有同样以所测电压来构造《-/ 静止坐标系上的分量"。，令90。前的所测电压为"。，艮<formula>formula see original document page 7</formula>经^i变换后可得到<formula>formula see original document page 7</formula>其中<formula>formula see original document page 7</formula>经过滤去高频分量后，得到 两个直流分量^和"g ，即 =c。s A禾口 =[/, Sin A ;在实际的数据处理过程中，由于构造"-"静止坐标系会产生90°的延 时，因此，在进行数据处理时可考虑求导的方法来构造另一相，从而消除 时延；在步骤2中构造好了aj坐标系后，进行"-g变换后，得到 分量<formula>formula see original document page 7</formula>假设输入信号角频率大于q，则",为一变化的交流量，此时经pi调节 器(现有技术pi调节器实际是一个放大系数可自动调节的放大器，动态时，放大系数较低，是为了防止系统出现超调与振荡；静态时，放大系数较高， 可以蒱捉到小误差信号，提高控制精度。)后输出A气，此量使得 中的角频差减小，直至^= 时，这时 为一直流量，此时进行初相位调整，由于有直流量的输入导致锁相环输出频率进一步加大，使得输出的相位得到调 整，这时 又为一变化交流量，系统又进入角频率调整阶段，经过如此反复过程，最终得到输入信号与锁相环输出完全同步；考虑到输入信号中如果有谐波的存在，会影响求导得到的电压量，但由 于控制系统中存在积分环节和低通滤波器，对这些畸变量有着很好的抑制作用，所以对输出的结果影响不大。在程序编写时，仅对 分量进行公式的计算，縮短了程序长度，提高了运算速度。在步骤3中使用一阶的巴特沃斯滤波器，截至频率为25Hz;巴特沃斯滤波器是电子滤波器的一种。巴特沃斯滤波器的特点是通频 带的频率响应曲线最平滑。这种滤波器最先由英国工程师斯替芬.巴特沃斯(StephenButterworth)在1930年发表在英国《无线电工程》期刊的一篇论 文中提出的。巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度 平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零。在振幅的对数对角频率的 波得图上，从某一边界角频率开始，振幅随着角频率的增加而逐步减少，趋向 负无穷大。在步骤4中采用定点的16位TMS320C2812DSP实现单相软件锁相环， 程序编写使用IQMath库函数；可极大提高锁相环运算速度，该程序运行稳定，效果良好。本专利技术第一，由于使用单相求导的方法构造两相坐标系，可减少了移 相90°带来的延时；第二，运算速度快，抗干扰性强；第三，可以消除谐 波量对锁相的干扰，解决了由于多次过零导致锁相失效的问题；第四，控 制器采用TMS320C2812DSP编程，提高了运算能力。由图5可见在仿真中，电源信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用软件实现单相锁相环的方法，是通过以下步骤实现的：以标准信号为基准，构造α－β坐标系下的输入信号（１）；通过基于瞬时无功理论的ｄｑ０变换ｑ轴分量的输出进行ＰＩ调节，以ＰＩ调节环节的输出进行频率校正，利用频率校正环节的输出信号为基准，利用积分环节进行相位校正（２）；设计低通滤波器，保证锁相环的跟踪速度和精度（３）；采用１６位定点ＴＭＳ３２０Ｃ２８１２ＤＳＰ编程，加快运算速度（４）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈国栋，董祖毅，
申请(专利权)人：上海输配电股份有限公司，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]