CN102035541A

CN102035541A - 锁相环电路

Info

Publication number: CN102035541A
Application number: CN2010105130431A
Authority: CN
Inventors: 袁小明; 谭卓辉; R·W·德尔梅里科; 翁海清; R·A·西摩尔
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-09-29
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2030-09-29
Also published as: EP2306649A3; EP2306649A2; US7928780B1; ES2393661T3; US20110074474A1; EP2306649B1; CN102035541B; DK2306649T3

Abstract

锁相环电路(24)包括相位误差检测器(26)，它用于接收多相参考信号(40)和锁相环电路的同步相位信号(38)，并且用于执行旋转变换，以便将多相参考信号转换成处于同步旋转d-q参考坐标系的二相量(32，34)。单调传递模块(27)接收二相量，并且生成单调相位误差信号(36)，它在多相参考信号与同步相位信号之间的相位差在从-180度至180度范围内变化时是单调的。调整器(28)接收单调相位误差信号，并且生成同步旋转频率(39)。积分器(30)接收同步旋转频率，并且生成同步相位信号。

Description

锁相环电路

技术领域

一般来说，本发明涉及用于从多相参考信号生成同步相位和频率信号的锁相环(PLL)电路。

背景技术

锁相环(PLL)电路是从参考信号生成同步输出信号的闭环电路。PLL电路通过将输出信号调节直到使输出信号与参考信号在频率和相位方面均匹配，来自动响应参考信号的频率和相位。在电力控制系统中，例如，PLL电路检测电网电压的相位信息，使得电力控制器可使转换器的输出电压与电网电压同步。在例如电力系统中的短路故障等瞬态事件期间，参考信号的相位角和幅值可显著改变，并且使PLL电路提供快速响应是理想的。

发明内容

根据本文所公开的一个实施例，锁相环电路包括相位误差检测器，用于接收多相参考信号和锁相环电路的同步相位信号，并且用于执行旋转变换，以便将多相参考信号转换成同步旋转d-q参考坐标系的二相量。单调传递模块接收二相量，并且生成单调相位误差信号，它在多相参考信号与同步相位信号之间的相位差在从-180度至180度之间范围内变化时是单调的。调整器接收单调相位误差信号，并且生成同步旋转频率。积分器接收同步旋转频率，并且生成同步相位信号。

附图说明

通过参照附图阅读以下具体实施方式，会更好地理解本发明的这些及其它特征、方面和优点，附图中，相似符号在整个附图中表示相似部件，附图包括：

图1是常规锁相环(PLL)电路的框图。

图2示出图1的PLL电路的相位检测器的旋转变换，其中相位误差小于90度。

图3示出图1的PLL电路的相位检测器的旋转变换，其中相位误差大于90度。

图4示出图1的PLL电路的相位误差检测器的正弦波特性。

图5是根据本发明的一个实施例的示范PLL电路的框图。

图6和图7示出根据本发明的不同实施例的单调传递模块的单调特性。

图8-10是根据本发明的其它实施例的单调传递模块的框图。

具体实施方式

本发明的实施例涉及用于从多相参考信号生成同步相位和频率信号的锁相环(PLL)电路。PLL电路包括用于接收多相参考信号和反馈同步相位信号以及生成二相直接和正交(d-q)参考坐标系中的二相信号的相位检测器。PLL电路包括用于接收d-q参考坐标系中的二相信号以及用于生成相位误差信号的单调传递函数。相位误差信号对于在从-180度至180度的范围内的参考信号与同步相位信号之间的相位差是单调的。

为了更好地理解本发明，首先参照图1-4的常规PLL电路10。如图1所示，所示PLL电路10包括用于接收多相参考信号14和PLL电路10的同步输出信号16以及用于使用这些信号来生成相位误差信号18的相位检测器12。调整器20根据相位误差信号18来确定同步频率(ω_e)。积分器22生成同步相邻信号(δ)，并且因而PLL电路的输出信号可包括同步频率(ω_e)和相位(δ)信号。

当参考信号14是具有电压相量(V_a、V_b和V_c)的平衡三相正弦参考信号时，它可表达为下式1：

[\begin{matrix} V_{a} \\ V_{b} \\ V_{c} \end{matrix}] = V_{m} [\begin{matrix} \sin ωt \\ \sin (ωt - 2 π / 3) \\ \sin (ωt + 2 π / 3) \end{matrix}]

等式1

其中，“V_m”是正序的电压幅度，以及“ω”是三相参考信号14的基本旋转频率。

参照图2，相位误差信号18由相位检测器12的生成通常包括旋转变换。相位检测器12可例如按照下式2将三相参考信号(V_a、V_b和V_c)变换成二相固定α-β参考坐标系中的二相量(V_α，V_β)：

[\begin{matrix} V_{α} \\ V_{β} \end{matrix}] = \frac{2}{3} \times [\begin{matrix} 1 & - 0.5 & - 0.5 \\ 0 & - \frac{\sqrt{3}}{2} & \frac{\sqrt{3}}{2} \end{matrix}] [\begin{matrix} V_{a} \\ V_{b} \\ V_{c} \end{matrix}] = [\begin{matrix} V_{m} \times \cos Φ \\ V_{m} \times \sin Φ \end{matrix}], Φ = ω \times t + Φ_{0}

等式2

其中，“Φ”是参考信号14的瞬时相位角，以及Φ₀是参考相位信号14的初始相位角。然后，二相量(V_α，V_β)可按照等式3变换成同步旋转d-q参考坐标系中的二相量(V_d，V_q)：

[\begin{matrix} V_{d} \\ V_{q} \end{matrix}] = [\begin{matrix} \cos δ & \sin δ \\ - \sin δ & \cos δ \end{matrix}] [\begin{matrix} V_{α} \\ V_{β} \end{matrix}], δ = ω_{e} \times t + δ_{0}

等式3

其中，“δ”是瞬时同步相位角，以及“ω_e”是同步旋转速度，因此：V_d＝V_α×cosδ+V_β×sinδ＝V_m×cosΦcosδ+V_m×sinΦsinδ＝V_m×cos(Φ-δ)＝V_m×cosθ

等式4

V_q＝V_α×(-sinδ)+V_β×cosδ＝V_m×cosΦ(-sinδ)+V_m×sinΦcosδ＝V_m×sin(Φ-δ)＝V_m×sinθ

等式5

其中，“θ”是参考电压信号(V_a，V_b，V_c)14的相位(Φ)和同步相位(δ)的相位误差，即，θ＝Φ-δ。来自相位检测器12的相位误差信号18通常是V_q的值。如果V_q＝0，则那是锁相状态，并且不需要调节。如果V_q≠0，则存在调节余量(margin of adjustment)，并且PLL电路10将提供经调节的同步输出信号供相位、频率或者相位和频率二者的调节。

如图2所示，V_q＝V×sinθ，并且相位检测器12的相位误差信号18具有正弦波特性。参照图2和图4，当相位差(θ₁)保持在-90度至90度的范围之内时，相位误差信号18相对于相位位移(θ₁)是单调的，并且PLL电路10能够执行平滑获取和调节。参照图3和图4，当相位差(θ₂)在-180度至-90度之内或者90度至180度之内时，相位误差信号18在相位差(θ₂)增加时减小。在例如具有相位跳变的电网电压事件等瞬态条件下，在具有或没有频率的变化情况下，相位差(θ)可跳变到180度至-90度或者90度至180度的范围，并且特别是在对应相位误差信号18很小时，使PLL电路10的收敛性不合需要地减缓。

参照图5，根据本发明的一个实施例的PLL电路24包括相位检测器26、单调传递模块27、相位误差调整器28和积分器30。相位检测器26接收多相参考信号14，它在一个实施例中例如是三相电压信号(V_a，V_b，V_c)。相位检测器26还接收PLL电路24的同步输出信号38，并且使用这二者信号来生成同步二相d-q参考坐标系中的二相信号(V_d，V_q)32、34。在本发明的某些实施例中，d-q参考坐标系中的二相电压信号(V_d，V_q)32、34的生成采用与针对由图1的相位检测器12所执行的变换所述的相似方式来实现。三相参考信号(V_a，V_b，V_c)与PLL电路24的同步输出信号38之间的相位差(θ)可按照下式6来获得：

θ＝atan2(V_q，V_d) 等式6

在本发明的某些实施例中，单调传递模块27配置成接收二相信号(V_d，V_q)32、34，并且生成单调相位误差信号36，它相对于在从-180度至180度范围内变化时的相位差(θ)单调增加。在本发明的某些实施例中，单调传递模块27包括单调传递函数(f(V_d，V_q))，以便生成单调相位误差信号36，其中以二相量V_d和V_q作为输入。在一个实施例中，单调传递函数(f(V_d，V_q))包括按照下式7的反切函数：

相位误差信号＝k₁×atan2(V_q，V_d) 等式7

其中，k₁是系数。例如，在一个实施例中，k₁包含2。因此，相位误差信号36在相位差(θ)在从-180度至180度范围内变化时线性增加。

根据另一个实施例，单调传递模块27的单调传递函数(f(V_d，V_q))按照下式8作为相位差的一半的正弦函数来执行：

等式8

其中，k₂是系数。例如，在一个实施例中，k₂包含2。相位误差信号36随在相位差(θ)在从-180度至180度范围内变化时的相位差(θ)单调增加，如图6所示。

根据又一个实施例，单调传递函数(f(V_d，V_q))是按照下式9的正负号函数：

等式9

按照等式8所生成的单调相位误差信号36如图7所示。等式9与等式8相似，但是没有包括平方根计算，因而可更迅速地计算。

在又一个实施例中，参照图8，单调传递模块27包括以二相量(V_d，V_q)32、34作为输入的误差跟踪环，以便生成接近实际相位差(θ)的单调相位误差信号46。在所示实施例中，误差跟踪环包括传递函数单元40和调整器42。传递函数单元40配置成接收二相量(V_d，V_q)32、34和估计相位差(θ_e)44，并且按照下式10来生成作为实际相位差(θ)与估计相位差(θ_e)44的差的指示的误差信号46，例如：

误差信号＝k₄×sin(θ-θ_e) 等式10

其中，k₄是系数，并且在一个实施例中，k₄＞1。将误差信号46传送给调整器42，以便生成估计相位差(θ_e)44。如果误差信号＝0，θ＝θ_e，则估计相位差(θ_e)44与实际相位差(θ)相同。如果误差信号≠0，则估计相位差(θ_e)44与实际相位差(θ)不相同，并且调整器42生成新的相位差信号(θ_e)，直到误差信号＝0。这个新的相位差信号在-180度至180度的范围之外是单调的。在某些实施例中，误差跟踪环包括快速闭环。相应地，单调相位误差信号36是来自单调传递模块27的误差跟踪环的估计相位差(θ_e)，它保持与实际相位差(θ)对准。在一个实施例中，PLL电路的响应时间t₁和误差跟踪环的响应时间t₂的比率至少为10。

在图9和图10的实施例中，单调传递模块27包括：误差跟踪单元48，配置成接收二相量(V_d，V_q)32、34，并且生成基本等于相位差(θ)的误差信号50；增益调节元件52，用于接收量(V_q)34和用于生成基本等于sin(θ)的值的误差信号54；以及求和结点56，用于接收误差信号50、54，并且按照下式11生成单调相位误差信号36：

相位误差信号＝sinθ+θ 等式11

在一个实施例中，按照等式5，V_q＝V_m×sinθ，并且误差信号50通过由增益调节元件52按照下式来调节量(V_q)来获得：

误差信号＝k₄×V_m×sinθ＝sinθ

其中，k₄＝1/V_m

在图9的实施例中，误差跟踪单元48执行例如上式6中的反切函数。在一个具体实施例中，误差跟踪单元48执行例如下式12的反切函数：

误差信号＝atan2((V_q×N)，V_d) 等式12

其中，“N”是系数。在一个实施例中，N＞1。系数(N)的更大值将增加对相位跳变的响应。在一个实施例中，“N”包含100。

图10的实施例与图9的实施例相似，并且示出误差跟踪单元48可包括例如以上参照图8所述的误差跟踪环。

在本发明的其它实施例中，单调传递模块27可包括能够接收二相电压信号(V_d，V_q)32、34并且生成随在至少-180度至180度范围内变化的相位差(θ)单调增加的相位误差信号36的任何其它可能的电路或装置。一种这样的示例是查找表。

又参照图5，把来自单调传递模块27的单调相位误差信号36发送给相位误差调整器28。在本发明的一个实施例中，相位误差调整器28包括PI控制器，它用于接收作为输入的单调相位误差信号36，以便生成作为电网电压的同步频率(ω_e)的调节信号39。

在图5的所示实施例中，积分器30配置成接收来自相位误差调整器28的同步旋转频率(ω_e)39，并且通过如等式13的时间积分来生成同步相位角信号(δ)，例如：

δ＝∫ω_e·dt 等式13

由于相位误差信号在相位差(θ)在从-180度至180度范围内变化时处于单调关系，因此，当相位差在-180度至-90度或者90度至180度范围之内时，PLL电路24提供比常规PLL电路更快的响应。

与参照图1-4所述的常规PLL电路10相比，图5的实施例的相位误差信号在参考信号14与同步相位信号(δ)之间的相位差(θ)在-180度至180度范围内变化时是单调的。相应地，本发明的PLL电路24为大相位跳变提供更快的收敛。

除非另加说明，否则本文所使用的科技术语具有与本发明所属领域的技术人员普遍理解的同样的含义。本文所使用的术语“第一”、“第二”等并不表示任何顺序、量或重要性，而是用来区分各个元件。另外，术语“一”并不表示量的限制，而是表示存在所引用项的至少一个，除非另加说明，否则例如“前”、“后”、“底部”和/或“顶部”等术语的使用只是便于描述，而并不局限于任何一个位置或空间取向。

虽然已经参照示范实施例描述了本发明，但本领域的技术人员会理解，可进行各种变更，并且等效方案可代替其中的元件，而没有背离本发明的范围。另外，可进行许多修改使得特定情况或者材料适合于本发明的教导，而没有背离其本质范围。因此，我们认为本发明并不局限于作为考虑用于执行本发明的最佳模式而公开的具体实施例，本发明将包括落入所附权利要求书的范围之内的所有实施例。

要理解，并非按照任何具体实施例可实现以上所述的所有这类目的或优点。因此，例如，本领域的技术人员会知道，本文所述的系统和技术可通过下列方式来体现或执行：实现或优化本文讲授的一个或一组优点，而不一定实现本文可能讲授或建议的其它目的或优点。

此外，技术人员会知道来自不同实施例的各种特征的可交换性。所述的各种特征以及各特征的其它已知等效体可由本领域的技术人员进行混合和匹配，以便构建根据本公开的原理的其它系统和技术。

元件表：

10 现有PLL 36 单调相位误差信号

12 相位检测器 38 同步PLL信号

14 多相参考信号 39 调整信号

16 PLL的同步输出信号 40 传递函数单元

18 相位误差信号 42 积分器

20 调整器 44 估计相位误差(θ_e)

22 积分器 46 误差信号

26 相位检测器 48 误差跟踪单元

27 单调传递模块 50 误差信号

28 相位误差调整器 52 增益调节

30 积分器 54 误差信号

32，34d-q 参考坐标系中的二相信号 56 求和结点

24 根据本发明的某些实施例的PLL电路

Claims

1.一种锁相环电路(24)，包括：

相位误差检测器(26)，用于接收多相参考信号(40)和所述锁相环电路的同步相位信号(38)，并且用于执行旋转变换，以便将所述多相参考信号转换成位于同步旋转d-q参考坐标系的二相量(32，34)；

单调传递模块(27)，用于接收所述二相量，并且用于生成单调相位误差信号(36)，它在所述多相参考信号与所述同步相位信号之间的相位差在从-180度至180度范围内变化时是单调的；以及

调整器(28)，用于接收所述单调相位误差信号，并且用于生成同步旋转频率(39)；以及

积分器(30)，用于接收所述同步旋转频率，并且用于生成所述同步相位信号。

2.如权利要求1所述的锁相环电路，其中，所述单调传递模块配置成执行所述二相量的反切函数。

3.如权利要求1所述的锁相环电路，其中，所述单调传递模块配置成按照所述二相量来执行所述相位差的一半的正弦函数。

4.如权利要求1所述的锁相环电路，其中，所述单调传递模块配置成按照下式来执行所述相位差的一半的正弦函数的方差：

其中，k是系数，以及V_d和V_q分别是同步旋转d-q参考坐标系的二相量。

5.如权利要求1所述的锁相环电路，其中，所述单调传递模块配置成通过搜索查找表来生成所述单调相位误差信号。

6.如权利要求1所述的锁相环电路，其中，所述单调传递模块包括用于接收所述二相量并且用于生成估计相位差的误差跟踪环。

7.如权利要求6所述的锁相环电路，其中，所述误差跟踪环包括用于接收所述二相量和所述估计相位差以及用于从所述估计相位差和实际相位差的差生成误差信号的传递函数单元以及用于生成所述估计相位差的调整器。

8.如权利要求7所述的锁相环电路，其中，所述锁相环电路的响应时间与所述误差跟踪环的响应时间的比率至少为10。

9.如权利要求7所述的锁相环电路，其中，所述传递函数单元配置成执行所述估计相位差和所述实际相位差的差的正弦函数，以便生成所述误差信号。

10.如权利要求1所述的锁相环电路，其中，所述单调传递模块包括：误差跟踪单元，用于接收所述二相量和用于生成基本等于所述相位差的误差信号；增益调节元件，用于在所述同步旋转d-q参考坐标系的q轴中调节所述二相量，以便获得误差信号；以及求和结点，用于接收来自所述误差跟踪单元和增益调节元件的所述误差信号，以便生成所述单调相位误差信号。