CN105573179A - 一种用于变化频率的晶闸管同步信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于大功率变流技术控制领域，具体涉及一种用于变化频率的晶闸管同步信号处理方法。它包括如下步骤，采用一阶RC低通滤波滤除原同步信号的高频成分；将滤波后的同步信号转为方波输入数字信号处理器(DSP)，使用DSP中的捕获单元可以判断出方波信号的频率；通过该滤波器的相频特性计算出该频率下滤波产生的移相；根据方波信号的过零点和滤波后产生的移相，可以预测出下个周期同步信号的过零点，输出与原同步信号同相位的方波信号，用于后续触发脉冲处理。本发明的优点是，准确、快速、频率跟踪能力强，提高晶闸管变流器的触发精度。

Description

一种用于变化频率的晶闸管同步信号处理方法

技术领域

本发明属于大功率变流技术控制领域，具体涉及一种在恶劣信号环境下准确判断变化频率信号的过零点的方法，此方法也可应用与其他变频信号处理领域。

背景技术

HL-2A装置是一个受控核聚变实验装置，该装置的极向场线圈电源由一台125MVA的交流脉冲发电机组供电，为使极向场电源正常工作，电源的晶闸管控制系统需要在适当的时刻为晶闸管发送触发脉冲，即需要准确判断交流侧电压同步信号的过零点。然而125MVA发电机组所带的负载均为大功率变流负载，交流侧电压波形畸变严重，直接取用同步信号容易造成误判断，发电机带载情况下的输出电压波形如图1所示，波形上可以看到很多会对过零点判断造成影响的波动。更为特殊的是由于发电机的输出频率随着装置放电的进行逐渐下降(可在5秒钟内由100Hz降低为80Hz)，为准确判断同步信号过零点增加了难度。本设计提出了一种能够适应频率变化的方法，能够在恶劣的信号环境下准确判断信号过零点。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于变化频率的晶闸管同步信号处理方法，采用先滤波、后补偿的方式，补偿相位由DSP根据不同的信号频率进行实时计算，实现频率跟踪，得出的干净方波信号为大功率晶闸管变流器控制系统提供准确的同步信号。

本发明是这样实现的，一种用于变化频率的晶闸管同步信号处理方法，其特征在于：它包括以下步骤，

(1)采用一阶RC低通滤波滤除原同步信号的高频成分，滤波器的截止频率可选为基波频率的1/3，滤波后的信号将滞后于滤波前；

(2)将滤波后的同步信号经比较器转为方波信号，输入数字信号处理器DSP，使用DSP中的捕获单元捕获两次方波信号的上升沿，两次上升沿的计数器值相减得到计数差值，计数器频率除以计数差值得到方波信号的频率；

(3)根据滤波器的截止频率f_H和第(2)步中获得的信号频率f，可以通过计算出该频率下滤波产生的移相，反正切计算采用下式进行：

$\arctan z=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(-1)}^n{z}^{2n+1}}{2n+1}=z-\frac{z^3}{3}+\frac{z^5}{5}-\frac{z^7}{7}+\·\·\·,$ 其中|z|≤1；

由于f/f_H>1，直接用上式计算反正切的结果不收敛，采用下式进行变换，得到移相角度

$\mathrm{\φ}=\arctan \frac{f/f_H-1}{f/f_H+1}+\frac{\mathrm{\π}}{4};$

(4)根据方波信号的过零点和计算后得到的移相，利用定时器预测出下个周期同步信号的过零点，并在该时刻输出与原同步信号同相位的方波信号，用于后续触发脉冲处理。

本发明的优点是，准确、快速、频率跟踪能力强，提高晶闸管变流器的触发精度。

附图说明

图1为一种用于变化频率的晶闸管同步信号处理方法的流程图；

图2为仿真模型图；

图3为仿真数据源发电机输出电压；

图4为仿真数据源变压器副边电压；

图5仿真结果。

其中：1仿真数据源，2滤波器，3信号整形环节，4移相计算环节，5相位补偿环节，6示波器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细介绍：

一种用于变化频率的晶闸管同步信号处理方法，它包括以下步骤，

(1)采用一阶RC低通滤波滤除原同步信号的高频成分，滤波器的截止频率可选为基波频率的1/3，滤波后的信号将滞后于滤波前；

(2)将滤波后的同步信号经比较器转为方波信号，输入数字信号处理器DSP，使用DSP中的捕获单元捕获两次方波信号的上升沿，两次上升沿的计数器值相减得到计数差值，计数器频率除以计数差值得到方波信号的频率；

(3)根据滤波器的截止频率f_H和第(2)步中获得的信号频率f，可以通过计算出该频率下滤波产生的移相，反正切计算采用下式进行：

$\arctan z=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(-1)}^n{z}^{2n+1}}{2n+1}=z-\frac{z^3}{3}+\frac{z^5}{5}-\frac{z^7}{7}+\·\·\·,$ 其中|z|≤1；

由于f/f_H>1，直接用上式计算反正切的结果不收敛，采用下式进行变换，得到移相角度

$\mathrm{\φ}=\arctan \frac{f/f_H-1}{f/f_H+1}+\frac{\mathrm{\π}}{4};$

(4)根据方波信号的过零点和计算后得到的移相，利用定时器预测出下个周期同步信号的过零点，并在该时刻输出与原同步信号同相位的方波信号，用于后续触发脉冲处理。

本方法的理论基础如下：

一阶RC低通滤波电路的频率特性如下：

$\mathrm{\φ}=-\arctan \left(\frac{f}{f_H}\right)$

其中,f是变频信号频率，f_H是滤波器的截止频率，可以用下式计算：

$f_H=\frac{1}{2\mathrm{\πRC}}$

其中R、C分别是滤波器的电阻值和电容值。根据信号的频率和滤波器的参数即可计算出信号的移相角度φ。

φ的获得需要进行反正切计算，在DSP中可以采用无穷级数近似实现：

$\arctan z=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(-1)}^n{z}^{2n+1}}{2n+1}=z-\frac{z^3}{3}+\frac{z^5}{5}-\frac{z^7}{7}+\·\·\·,$ 其中|z|≤1

但为了滤除同步信号上的干扰，通常滤波器的时间常数较大，确保同步信号的基波能够大部分通过，因此截止频率f_H是小于信号频率f的，即f/f_H>1，直接用上式计算反正切的结果不收敛。

为解决此问题，可以利用正切函数的和角公式将区间求值转移到区间。设

$\mathrm{\θ}=\mathrm{\α}+\frac{\mathrm{\π}}{4}$

则θ的正切值x可以表示为：

$x=\tan \mathrm{\θ}=\tan (\mathrm{\α}+\frac{\mathrm{\π}}{4})=\frac{\tan \mathrm{\α}+\tan \frac{\mathrm{\π}}{4}}{1-\tan \mathrm{\α}\tan \frac{\mathrm{\π}}{4}}=\frac{1+\tan \mathrm{\α}}{1-\tan \mathrm{\α}}$

则α可用x表示如下：

$\mathrm{\α}=\arctan \frac{x-1}{x+1}$

由于必然小于1，因此用无穷级数计算的反正切结果收敛，可得：

$\mathrm{\θ}=\arctan \frac{x-1}{x+1}+\frac{\mathrm{\π}}{4}$

因此采用此方法计算区间的反正切取值没有显著增加DSP的运算量。

具体仿真结果

下面结合附图和具体仿真结果对本发明做进一步的说明：

图1是同步信号的处理流程。含有大量噪声的正弦波同步信号通过一个低通滤波器，滤除噪声信号，保留同步信号的基波分量，此时基波分量已滞后原始信号；该正弦基波经过整形得到方波信号；方波信号输入DSP的捕获单元，从而计算出该信号的周期和频率；根据信号的频率值可以计算出同步信号经过滤波器后滞后的相位；根据此相位可以推出下一个同步信号过零点的时刻；从而输出干净的方波同步信号，该信号与滤波前的原始信号同相位。

为验证本方法的可行性，建立了模型进行仿真。仿真模型图如图2所示。其中：1-仿真数据源，2-滤波器，3-信号整形环节，4-移相计算环节，5-相位补偿环节，6-示波器。

图3、图4为仿真使用的数据源发电机输出电压、变压器副边电压。

图5为仿真结果。可见经过处理的方波信号与原信号的过零点重合，相位相同，能够作为晶闸管变流器控制系统的同步信号使用。

Claims (1)

1.一种用于变化频率的晶闸管同步信号处理方法，其特征在于：它包括以下步骤，

(1)采用一阶RC低通滤波滤除原同步信号的高频成分，滤波器的截止频率可选为基波频率的1/3，滤波后的信号将滞后于滤波前；

(2)将滤波后的同步信号经比较器转为方波信号，输入数字信号处理器DSP，使用DSP中的捕获单元捕获两次方波信号的上升沿，两次上升沿的计数器值相减得到计数差值，计数器频率除以计数差值得到方波信号的频率；

(3)根据滤波器的截止频率f_H和第(2)步中获得的信号频率f，可以通过计算出该频率下滤波产生的移相，反正切计算采用下式进行：

$\arctan z=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(-1)}^n{z}^{2n+1}}{2n+1}=z-\frac{z^3}{3}+\frac{z^5}{5}-\frac{z^7}{7}+\·\·\·,$ 其中|z|≤1；

由于f/f_H>1，直接用上式计算反正切的结果不收敛，采用下式进行变换，得到移相角度

$\mathrm{\φ}=\arctan \frac{f/f_H-1}{f/f_H+1}+\frac{\mathrm{\π}}{4};$

(4)根据方波信号的过零点和计算后得到的移相，利用定时器预测出下个周期同步信号的过零点，并在该时刻输出与原同步信号同相位的方波信号，用于后续触发脉冲处理。