CN104410408B - 一种单相锁相方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单相锁相装置，该装置中，卡尔曼滤波器将过零点检测锁相器和DQ坐标系锁相器结合起来，对过零点检测锁相器以及DQ坐标系锁相器发送的频率、相位以及幅值进行卡尔曼滤波，得到最终相位、最终幅度以及最终频率，本发明还公开了一种单相锁相装置，利用卡尔曼滤波能够大幅消除采样误差、递归计算响应速度快的优点，实现了对单相电系统发送的输入信号快速、准确的锁相功能，远超传统锁相环的动态性能和静态性能，克服了传统单相锁相方法速度慢、易受干扰的缺点，实现了单相电网中输入信号的相位、幅度、频率的快速、准确的锁相功能。

Description

一种单相锁相方法及装置

技术领域

本发明涉及锁相技术领域，特别是涉及一种单相锁相方法及装置。

背景技术

单相电系统中的锁相环节是单相逆变器、电能质量检测的基础，因此锁相器性能的优劣直接关系到上述设备的性能。锁相的原理是通过一定的控制技术手段或装置，识别交流电网电压或电流当前所处正弦波的幅度、相位、频率这三个关键参数。

为了实现锁相，现有技术中一般的做法是采用过零点检测或通过一个二阶广义积分器产生一组正交信号后在DQ坐标系中实现锁相。上述两种锁相的方法应用在单相系统中存在一些问题：过零点检测每半个周期检测一次频率，虽然相对检测速度较快，但是受到外界干扰、控制误差等因素的限制而会影响检测准确度，并且无法识别两次过零点之间的信号频率变化情况；单相DQ坐标系锁相方法避免了过零点检测的弊端，大大降低了锁相的误差，但是不同于三相电系统，单相锁相中正交信号的产生会大幅降低锁相速度，无法准确反应电压输入信号的突变情况，在干扰较大时还可能引起锁相失败。

因此，如何提供一种锁相速度快、准确度高的单相锁相方法是本领域技术人员目前需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种单相锁相方法，克服了传统单相锁相方法速度慢、易受干扰的缺点，实现了单相电网中输入信号的相位、幅度、频率的快速、准确的锁相功能；本发明的另一目的是提供一种单相锁相装置。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种单相锁相方法，包括：

步骤A：接收单相电系统发送的输入信号；

步骤B：过零点捕获装置判断所述输入信号是否过零点，如果是，则进入步骤C；否则，进入步骤D；

步骤C：所述过零点检测锁相器中的过零点频率检测模块依据所述输入信号最近一次过零点到此次过零点的时间间隔计算得到第二频率，并将所述第二频率送至卡尔曼滤波器，进入步骤F；

步骤D：模数转换器ADC对所述输入信号进行模数转换得到离散输入信号，将所述离散输入信号分别传送至DQ坐标系锁相器和过零点检测锁相器中的最大值法幅度检测模块；

步骤E：所述DQ坐标系锁相器依据所述离散输入信号计算得到相位、第一幅值以及第一频率，并将所述相位、第一幅值以及第一频率送至所述卡尔曼滤波器；所述最大值法幅度检测模块确定所述离散输入信号在所述ADC采样周期内的最大值，并依据所述最大值计算得到第二幅值并送至所述卡尔曼滤波器；

步骤F：所述卡尔曼滤波器对所有所述相位、第一幅值、第一频率、第二幅值以及第二频率进行卡尔曼滤波，得到最终幅值、最终相位以及最终频率。

优选的，步骤E中所述DQ坐标系锁相器依据所述离散输入信号计算得到相位、第一幅值以及第一频率过程具体为：

单相正交信号发生器接收并依据所述离散输入信号以及锁频环FLL发送的频率值产生一组与所述离散输入信号同频率的相互正交的第一正弦信号和第二正弦信号并送至DQ坐标系锁相环，将与所述离散输入信号相位相同的所述第一正弦信号或第二正弦信号与所述离散输入信号进行幅值相减得到误差信号并送至锁相环FLL；

锁相环FLL将所述误差信号作为输入，经过误差跟踪后得到与所述输入信号同频率的所述频率值，并将所述频率值输出至所述单相正交信号发生器和DQ坐标系锁相环；

DQ坐标系锁相环对所述第一正弦信号、第二正弦信号以及频率值进行锁相计算，得到所述相位、第一幅值以及第一频率，并将所述相位、第一幅值以及第一频率送至卡尔曼滤波器。

优选的，步骤A中的所述输入信号为电压输入信号。

优选的，步骤A中的所述输入信号为电流输入信号。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种单向锁相装置，包括：

过零点捕获装置，用于接收单相电系统发送的输入信号，并判断所述输入信号是否过零点；

过零点频率检测模块，用于依据所述输入信号最近一次过零点到此次过零点的时间间隔计算得到第二频率，并将所述第二频率送至卡尔曼滤波器；

模数转换器ADC，用于接收单相电系统发送的输入信号，对所述输入信号进行模数转换得到离散输入信号，将所述离散输入信号分别传送至DQ坐标系锁相器和过零点检测锁相器中的最大值法幅度检测模块；

DQ坐标系锁相器，用于依据所述离散输入信号计算得到相位、第一幅值以及第一频率，并将所述相位、第一幅值以及第一频率送至所述卡尔曼滤波器；

最大值法幅度检测模块，用于确定所述离散输入信号在所述ADC采样周期内的最大值，并依据所述最大值计算得到第二幅值并送至所述卡尔曼滤波器；

卡尔曼滤波器，用于对所有所述相位、第一幅值、第一频率、第二幅值以及第二频率进行卡尔曼滤波，得到最终幅值、最终相位以及最终频率。

优选的，所述DQ坐标系锁相器包括：

单相正交信号发生器，用于接收并依据所述离散输入信号以及锁频环FLL发送的频率值产生一组相互正交的第一正弦信号和第二正弦信号并送至DQ坐标系锁相环，将与所述离散输入信号相位相同的所述第一正弦信号或第二正弦信号与所述离散输入信号进行幅值相减得到误差信号并送至锁相环FLL；

锁相环FLL，用于将所述误差信号作为输入，经过误差跟踪后得到与所述输入信号同频率的所述频率值，并将所述频率值输出至所述单相正交信号发生器和DQ坐标系锁相环；

DQ坐标系锁相环，用于对所述第一正弦信号、第二正弦信号以及频率值进行锁相计算，得到所述相位、第一幅值以及第一频率，并将所述相位、第一幅值以及第一频率送至卡尔曼滤波器。

优选的，所述单相正交信号发生器为二阶广义积分SOGI单相正交信号发生器。

本发明提供的一种单相锁相方法，通过卡尔曼滤波器分别过零点检测锁相方法和DQ坐标系锁相方法结合起来，利用卡尔曼滤波能够大幅消除采样误差、递归计算响应速度快的优点，实现了对单相电系统发送的输入信号快速、准确的锁相功能，远超传统锁相环的动态性能和静态性能，克服了传统单相锁相方法速度慢、易受干扰的缺点，实现了单相电网中输入信号的相位、幅度、频率的快速、准确的锁相功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种单相锁相方法的过程的流程图；

图2为本发明提供的一种单相锁相装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种单相锁相方法，克服了传统单相锁相方法速度慢、易受干扰的缺点，实现了单相电网中输入信号的相位、幅度、频率的快速、准确的锁相功能；本发明的另一核心是提供一种单相锁相装置。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1，图1为本发明提供的一种单相锁相方法的过程的流程图，该方法包括：

步骤s101：接收单相电系统发送的输入信号；

可以理解的是，单相电系统首先将要检测的信号输出，作为单相锁相装置的输入信号。

值得注意的是，这里的输入信号可以为单相电压正弦信号，也可以为单相电流正弦信号。

步骤s102：过零点捕获装置判断所述输入信号是否过零点，如果是，则进入步骤s103；否则，进入步骤s104；

可以理解的是，过零点捕获装置接收单相电系统发送的输入信号，并对输入信号是否过零点进行判断，当输入信号过零点时，进入步骤s103，当输入信号不过零点时，则进入步骤s104；

步骤s103：过零点检测锁相器中的过零点频率检测模块依据输入信号最近一次过零点到此次过零点的时间间隔计算得到第二频率，并将第二频率送至卡尔曼滤波器，进入步骤s106；

可以理解的是，过零点捕获装置每次检测到输入信号过零点时将产生一个触发信号并传送至过零点检测锁相器中的过零点频率检测模块，过零点频率检测模块依据最近一次触发信号至此次触发信号的时间间隔，即输入信号最近一次过零点到此次过零点的时间间隔计算得到第二频率，并将第二频率送至卡尔曼滤波器。

步骤s104：模数转换器ADC对输入信号进行模数转换得到离散输入信号，将离散输入信号分别传送至DQ坐标系锁相器和过零点检测锁相器中的最大值法幅度检测模块；

可以理解的是，模数转换器ADC对输入信号进行模数转换，将输入信号由模拟量转换成数字量，并将数字量的输出信号分别传送至DQ坐标系锁相器和过零点检测锁相器中的最大值法幅度检测模块。

步骤s105：DQ坐标系锁相器依据离散输入信号计算得到相位、第一幅值以及第一频率，并将相位、第一幅值以及第一频率送至卡尔曼滤波器；最大值法幅度检测模块确定离散输入信号在ADC采样周期内的最大值，并依据最大值计算得到第二幅值并送至卡尔曼滤波器；

可以理解的是，DQ坐标系锁相器包括单相正交信号发生器、锁相环FLL以及DQ坐标系锁相环，其中，

单相正交信号发生器接收并依据离散输入信号以及锁频环FLL发送的频率值产生一组与离散输入信号同频率的相互正交的第一正弦信号和第二正弦信号并送至DQ坐标系锁相环，将与离散输入信号相位相同的第一正弦信号或第二正弦信号与离散输入信号进行幅值相减得到误差信号并送至锁相环FLL；

值得注意的是，这里的误差信号的实质是幅值差值。另外，本发明使用的单相正交信号发生器为二阶广义积分SOGI单相正交信号发生器，当然，本发明也并不仅限于SOGI单相正交信号发生器，在本发明提供的技术方案原理的基础上能够实现本发明目的的单相正交信号发生器均在本发明的保护范围之内。

锁相环FLL将误差信号作为输入，经过误差跟踪后得到与输入信号同频率的频率值，并将频率值输出至单相正交信号发生器和DQ坐标系锁相环；

DQ坐标系锁相环对第一正弦信号、第二正弦信号以及频率值进行锁相计算，得到相位、第一幅值以及第一频率，并将相位、第一幅值以及第一频率送至卡尔曼滤波器。

DQ坐标系锁相环在接收到第一正弦信号、第二正弦信号以及频率值后，经过内部带有的闭环结构的控制系统对该组信号进行锁相计算，得到相位、第一幅值以及第一频率，并将相位、第一幅值以及第一频率送至卡尔曼滤波器。

最大值法幅度检测模块确定离散输入信号在ADC采样周期内的最大值，并依据最大值计算得到第二幅值并送至卡尔曼滤波器。

步骤s106：卡尔曼滤波器对所有相位、第一幅值、第一频率、第二幅值以及第二频率进行卡尔曼滤波，得到最终幅值、最终相位以及最终频率。

可以理解的是，卡尔曼滤波器在接收到相位、第一幅值、第一频率、第二幅值以及第二频率后，卡尔曼滤波器以相位、第一幅值、第一频率作为单相电系统的输出预测值，以第二幅值、第二频率作为单相电系统的检测输出值，以输出预测值和检测输出值分别乘以卡尔曼增益后再相加得到的值作为卡尔曼滤波器的输出值，得到最终幅值、最终相位以及最终频率。

值得注意的是，卡尔曼滤波器通过迭代方式调整卡尔曼增益，实现卡尔曼滤波器15的输出预测值和单相电系统检测输出值的协方差最小。

本发明提供的一种单相锁相方法，通过卡尔曼滤波器分别过零点检测锁相方法和DQ坐标系锁相方法结合起来，利用卡尔曼滤波能够大幅消除采样误差、递归计算响应速度快的优点，实现了对单相电系统发送的输入信号快速、准确的锁相功能，远超传统锁相环的动态性能和静态性能，克服了传统单相锁相方法速度慢、易受干扰的缺点，实现了单相电网中输入信号的相位、幅度、频率的快速、准确的锁相功能。

进一步的，步骤s105中DQ坐标系锁相器依据离散输入信号计算得到相位、第一幅值以及第一频率过程具体为：

单相正交信号发生器接收并依据离散输入信号以及锁频环FLL发送的频率值产生一组与离散输入信号同频率的相互正交的第一正弦信号和第二正弦信号并送至DQ坐标系锁相环，将与离散输入信号相位相同的第一正弦信号或第二正弦信号与离散输入信号进行幅值相减得到误差信号并送至锁相环FLL；

锁相环FLL将误差信号作为输入，经过误差跟踪后得到与输入信号同频率的频率值，并将频率值输出至单相正交信号发生器和DQ坐标系锁相环；

DQ坐标系锁相环对第一正弦信号、第二正弦信号以及频率值进行锁相计算，得到相位、第一幅值以及第一频率，并将相位、第一幅值以及第一频率送至卡尔曼滤波器。

进一步的，步骤s101中的输入信号为电压输入信号。

可以理解的是，输入信号可以为单相电压正弦信号，也可以为单相电流正弦信号，具体选用哪种信号作为输入信号本发明在此不做特别的限定，由实际情况来定。

与上述方法实施例相对应，本发明还提供了一种单相锁相装置，请参照图2，图2为本发明提供的一种单相锁相装置的结构示意图，该装置包括：

过零点捕获装置10，用于接收单相电系统发送的输入信号，并判断输入信号是否过零点；

可以理解的是，单相电系统首先将要检测的信号输出，作为单相锁相装置的输入信号，过零点捕获装置10接收单相电系统发送的输入信号，并对输入信号是否过零点进行判断。

过零点频率检测模块11，用于依据经过过零点捕获装置10模数转换后的输入信号最近一次过零点到此次过零点的时间间隔计算得到第二频率，并将第二频率送至卡尔曼滤波器15；

模数转换器ADC12，用于接收单相电系统发送的输入信号，对输入信号进行模数转换得到离散输入信号，将离散输入信号分别传送至DQ坐标系锁相器13和过零点检测锁相器中的最大值法幅度检测模块14；

DQ坐标系锁相器13，用于依据离散输入信号计算得到相位、第一幅值以及第一频率，并将相位、第一幅值以及第一频率送至卡尔曼滤波器15；

最大值法幅度检测模块14，用于确定离散输入信号在ADC采样周期内的最大值，并依据最大值计算得到第二幅值并送至卡尔曼滤波器15；

卡尔曼滤波器15，用于对所有相位、第一幅值、第一频率、第二幅值以及第二频率进行卡尔曼滤波，得到最终幅值、最终相位以及最终频率。

本发明提供的一种单相锁相装置，通过卡尔曼滤波器将过零点检测锁相器和DQ坐标系锁相器结合起来，利用卡尔曼滤波能够大幅消除采样误差、递归计算响应速度快的优点，实现了对单相电系统发送的输入信号快速、准确的锁相功能，远超传统锁相环的动态性能和静态性能，克服了传统单相锁相方法速度慢、易受干扰的缺点，实现了单相电网中输入信号的相位、幅度、频率的快速、准确的锁相功能。

进一步的，DQ坐标系锁相器13包括：

单相正交信号发生器131，用于接收并依据离散输入信号以及锁频环FLL132发送的频率值产生一组相互正交的第一正弦信号和第二正弦信号并送至DQ坐标系锁相环133，将与离散输入信号相位相同的第一正弦信号或第二正弦信号与离散输入信号进行幅值相减得到误差信号并送至锁相环FLL132；

锁相环FLL132，用于将误差信号作为输入，经过误差跟踪后得到与输入信号同频率的频率值，并将频率值输出至单相正交信号发生器131和DQ坐标系锁相环133；

DQ坐标系锁相环133，用于对第一正弦信号、第二正弦信号以及频率值进行锁相计算，得到相位、第一幅值以及第一频率，并将相位、第一幅值以及第一频率送至卡尔曼滤波器15。

进一步的，单相正交信号发生器131为二阶广义积分SOGI单相正交信号发生器。

本发明使用的单相正交信号发生器131为二阶广义积分SOGI单相正交信号发生器，当然，本发明也并不仅限于SOGI单相正交信号发生器，在本发明提供的技术方案原理的基础上能够实现本发明目的的单相正交信号发生器均在本发明的保护范围之内。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种单相锁相方法，其特征在于，包括：

步骤A：接收单相电系统发送的输入信号；

步骤B：过零点捕获装置判断所述输入信号是否过零点，如果是，则进入步骤C；否则，进入步骤D；

步骤C：过零点检测锁相器中的过零点频率检测模块依据所述输入信号最近一次过零点到此次过零点的时间间隔计算得到第二频率，并将所述第二频率送至卡尔曼滤波器，进入步骤F；

步骤D：模数转换器ADC对所述输入信号进行模数转换得到离散输入信号，将所述离散输入信号分别传送至DQ坐标系锁相器和过零点检测锁相器中的最大值法幅度检测模块；

步骤E：所述DQ坐标系锁相器依据所述离散输入信号计算得到相位、第一幅值以及第一频率，并将所述相位、第一幅值以及第一频率送至所述卡尔曼滤波器；所述最大值法幅度检测模块确定所述离散输入信号在所述ADC采样周期内的最大值，依据所述最大值计算得到第二幅值并送至所述卡尔曼滤波器；

步骤F：所述卡尔曼滤波器对所有所述相位、第一幅值、第一频率、第二幅值以及第二频率进行卡尔曼滤波，得到最终幅值、最终相位以及最终频率；

其中，步骤E中所述DQ坐标系锁相器依据所述离散输入信号计算得到相位、第一幅值以及第一频率过程具体为：

单相正交信号发生器接收并依据所述离散输入信号以及锁频环FLL发送的频率值产生一组与所述离散输入信号同频率的相互正交的第一正弦信号和第二正弦信号并送至DQ坐标系锁相环，将与所述离散输入信号相位相同的所述第一正弦信号或第二正弦信号与所述离散输入信号进行幅值相减得到误差信号并送至锁频环FLL；

锁频环FLL将所述误差信号作为输入，经过误差跟踪后得到与所述输入信号同频率的所述频率值，并将所述频率值输出至所述单相正交信号发生器和DQ坐标系锁相环；

DQ坐标系锁相环对所述第一正弦信号、第二正弦信号以及频率值进行锁相计算，得到所述相位、第一幅值以及第一频率，并将所述相位、第一幅值以及第一频率送至卡尔曼滤波器。

2.如权利要求1所述的单相锁相方法，其特征在于，步骤A中的所述输入信号为电压输入信号。

3.如权利要求1所述的单相锁相方法，其特征在于，步骤A中的所述输入信号为电流输入信号。

4.一种单相锁相装置，其特征在于，包括：

过零点捕获装置，用于接收单相电系统发送的输入信号，并判断所述输入信号是否过零点；

过零点频率检测模块，用于依据所述输入信号最近一次过零点到此次过零点的时间间隔计算得到第二频率，并将所述第二频率送至卡尔曼滤波器；

模数转换器ADC，用于接收单相电系统发送的输入信号，对所述输入信号进行模数转换得到离散输入信号，将所述离散输入信号分别传送至DQ坐标系锁相器和过零点检测锁相器中的最大值法幅度检测模块；

DQ坐标系锁相器，用于依据所述离散输入信号计算得到相位、第一幅值以及第一频率，并将所述相位、第一幅值以及第一频率送至所述卡尔曼滤波器；

最大值法幅度检测模块，用于确定所述离散输入信号在所述ADC采样周期内的最大值，依据所述最大值计算得到第二幅值并送至所述卡尔曼滤波器；

卡尔曼滤波器，用于对所有所述相位、第一幅值、第一频率、第二幅值以及第二频率进行卡尔曼滤波，得到最终幅值、最终相位以及最终频率；

其中，所述DQ坐标系锁相器包括：

单相正交信号发生器，用于接收并依据所述离散输入信号以及锁频环FLL发送的频率值产生一组相互正交的第一正弦信号和第二正弦信号并送至DQ坐标系锁相环，将与所述离散输入信号相位相同的所述第一正弦信号或第二正弦信号与所述离散输入信号进行幅值相减得到误差信号并送至锁频环FLL；

锁频环FLL，用于将所述误差信号作为输入，经过误差跟踪后得到与所述输入信号同频率的所述频率值，并将所述频率值输出至所述单相正交信号发生器和DQ坐标系锁相环；

DQ坐标系锁相环，用于对所述第一正弦信号、第二正弦信号以及频率值进行锁相计算，得到所述相位、第一幅值以及第一频率，并将所述相位、第一幅值以及第一频率送至卡尔曼滤波器。

5.如权利要求4所述的单相锁相装置，其特征在于，所述单相正交信号发生器为二阶广义积分SOGI单相正交信号发生器。