CN106877859B - 一种单相电压数字锁相方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种单相电压数字锁相方法，构建一个与待测电压信号相似的预设电平信号；在控制过程中，根据PI控制器输出的增量角频率与基准角频率累加获取的角频率调整预设频率，控制使得两个电压信号对应的电平矢量的相位差分量趋近为0，在控制达到稳态时，输出的相位角跟踪待测信号的相位，完成锁相功能。本发明利用待测电压信号的当前采样点和之前的第k‑n个采样点构成电平矢量，控制过程中，只需保留n个采样点，当n=1时，只需保留1个采样周期的采样值，占用的存储空间极少，且计算简便实用，可应用于产品开发。

Description

一种单相电压数字锁相方法
技术领域
本发明涉及一种单相电压数字锁相方法。
背景技术
三相电源由于三相电压在空间形成矢量形式，则可以方便的利用空间坐标旋转变换等数学工具，配合数字锁相环原理形成三相数字逆变电源锁相技术。然而，对于单相电源电压，由于电源电压只有一相，难以直接利用空间矢量的特点进行数字锁相环控制。
现有的单相电源电压的鉴相、锁相环控制中，常见的是将待测电压延时90°构成正交的两相电压信号，待测电压和经延时的电压信号正好在α-β坐标系中构成互相垂直的两相信号，在平面旋转后构成矢量圆，然后通过平面坐标旋转变换，实现单相电压鉴相。这种方法计算简单，但至少需要保留四分之一周期以上的数据，系统内存占用量大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单相电压数字锁相方法，以克服现有技术中存在的缺陷。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种单相电压数字锁相方法，包括以下步骤：
步骤S1：将待测电压信号u0以采样频率fs进行离散采样，并构建电平矢量其中，u0(k)表示所述待测电压信号u0在当前采样周期内的采样值，u0(k-n)表示所述待测电压信号u0在当前采样周期之前第n个采样周期的采样值，n为正整数；
步骤S2：以fs为采样频率，在当前采样周期中构建一个频率为f1的电平信号u1，并构建一电平矢量其中，u1(k)表示在当前采样周期内对应的构造值，u1(k-n)表示所述电平信号u1在当前采样周期之前第n个采样周期对应的构造值；
步骤S3：将电平矢量和电平矢量作正交积运算获取相位差分量Vq；将所得的相位差分量Vq输入一PI控制器，并通过该PI控制器控制环路，将相位差分量Vq调节趋向0；将所述PI控制器输出的增量角频率Δω和一基准角频率ω0累加获得一角频率ω'，并经一积分器积分输出相位角θ'，且达到稳态后，所述输出相位角θ'即为待测电压信号的相位；其中，所述基准角频率ω0为所述待测电压信号u0的角频率，所述步骤S2中频率
在本发明一实施例中，在所述步骤S2中，所述电平信号u1为正弦电平信号或余弦电平信号。
在本发明一实施例中，在所述步骤S1中，所述n的取值范围为：1≤n≤10。
在本发明一实施例中，在所述步骤S2中，所述f1的初始值为
在本发明一实施例中，记所述待测电压信号u0的频率为f0，且所述采样频率fs的取值范围如下：fs≥100f0。
在本发明一实施例中，在所述步骤S3中，所述电平矢量和电平矢量的正交积运算如下：
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明提出的一种单相电压数字锁相方法，构建一个与待测电压信号相似、频率为f1的正弦电平信号，f1的初始值为在控制过程中，根据角频率ω'(或相位角θ')调整f1，控制使得两个矢量的相位差分量Vq趋近为0，在控制达到稳态时，输出的相位角θ'跟踪待测信号的相位，完成锁相功能。本发明利用待测电压信号的当前采样点u0(k)和之前的第k-n个采样点u0(k-n)构成电平矢量，控制过程中，只需保留n个采样点，当n＝1时，只需保留1个采样周期的采样值，占用的存储空间极少，且计算简便实用，可应用于产品开发。
附图说明
图1为本发明的控制原理图。
图2为本发明实施例中的矢量图。
图3为本发明实施例中的矢量幅值。
图4为本发明实施例中的矢量相角。
图5为本发明实施例中的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明一种单相电压数字锁相方法，控制原理如图1所示，包括以下步骤：
步骤S1：将待测电压信号u0以采样频率fs进行离散采样，并构建电平矢量其中，u0(k)表示待测电压信号u0在当前采样周期内的采样值，u0(k-n)表示待测电压信号u0在当前采样周期之前第n个采样周期的采样值，n为正整数；优选的，n的取值范围为：1≤n≤10；
步骤S2：以fs为采样频率，在采样周期中构造一个频率为f1的正弦或余弦电平信号u1，并构建电平矢量其中，u1(k)表示当前采样周期对应的构造值，u1(k-n)表示电平信号u1在当前采样周期之前第n个采样周期对应的构造值；
步骤S3：将电平矢量和电平矢量作正交积运算获取相位差分量Vq，将所得的相位差分量Vq输入一PI控制器，并通过PI控制器控制环路将相位差分量Vq调节趋向0；将PI控制器输出的增量角频率Δω和基准角频率ω0累加获得角频率ω'，经积分器积分输出相位角θ'；达到稳态后，θ'即为待测电压信号的相位，其中，基准角频率ω0为待测电压信号u0的角频率，在步骤S2中，优选的，f1的初始值为
进一步的，待测电压信号u0的频率记为f0；较佳的，采样频率fs的取值范围如下：fs≥100f0。
为便于计算和具体说明，以及让本领域技术人员理解本发明所提出的方法，以下假定待测电压是一个初始相角为0，且不含有谐波分量的正弦电压信号，但本发明的待测电压信号不局限于此，同样适用于含有不同次数谐波干扰和/或初始相位角不为0的正弦电压信号，或其他可等效变换为正弦电压信号的待测电压信号。
假定待测电压信号的表达式为：
u0(t)＝U0∠0°＝U0sin(ω0t) (1)
其中，U0为待测电压幅值，f0为待测电压的频率，ω0＝2πf0。
记采样频率为fs，则离散采样后的电压信号为：
进一步的，利用当前采样周期的电平值与前一采样周期的电平值组成电平矢量，即：
则该矢量在平面上形成一个扁圆形轨迹，如图2所示。在本实施例中，令f0＝50Hz，fs＝20Hz，式(3)的矢量幅值和矢量相角分别如图3和图4所示。
进一步的，以fs为采样频率，在采样周期中构造一个频率为f1、与待测电压相同的电平信号u1，则当前采样周期构造的电平信号为：
进一步的，利用当前构造的电平值与前一采样周期构造的电平值组成电平矢量，即：
如图5所示，定性的示意出矢量与矢量矢量与矢量作正交积运算得到相位差分量Vq，如下：
进一步的，将得到的Vq输入一PI控制器，PI控制器通过控制环路控制相位差分量Vq调节趋向0，并将输出的增量角频率Δω和一基准角频率ω0累加获得角频率ω'；经一积分器积分输出相位角θ'。由于在控制过程中根据输出的θ'调整频率f1，f1不断趋近待测电压信号u0的频率f0，二者之间误差很小，特别是在控制接近稳态时，可以认为f1≈f0，则上式(7)中忽略不计，则
记其中，k表示采样值u0(k)或u1(k)对应的采样周期数，则
且处于稳态时，
则
θ＝θ' (11)
或者
θ-θ'＝180° (12)
因此积分器积分输出的是待测电压信号的相位或与待测信号相位滞后180°的相位。但与待测信号相位滞后180°是一个不稳定平衡点，因此积分器输出的θ'即为待测电压信号的相位θ。
以上仅为本发明实施例中一个较佳的实施方案。但是，本发明并不限于上述实施方案，凡按本发明所做的任何均等变化和修饰，所产生的功能作用未超出本方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种单相电压数字锁相方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：将待测电压信号u0以采样频率fs进行离散采样，并构建电平矢量其中，u0(k)表示所述待测电压信号u0在当前采样周期内的采样值，u0(k-n)表示所述待测电压信号u0在当前采样周期之前第n个采样周期的采样值，n为正整数；
步骤S2：以fs为采样频率，在当前采样周期中构建一个频率为f1的电平信号u1，并构建一电平矢量其中，u1(k)表示在当前采样周期内电平信号u1对应的构造值，u1(k-n)表示所述电平信号u1在当前采样周期之前第n个采样周期对应的构造值；
步骤S3：将电平矢量和电平矢量作正交积运算获取相位差分量Vq；将所得的相位差分量Vq输入一PI控制器，并通过该PI控制器控制环路，将相位差分量Vq调节趋向0；将所述PI控制器输出的增量角频率Δω和一基准角频率ω0累加获得一角频率ω'，并经一积分器积分输出相位角θ'，且达到稳态后，所述输出相位角θ'即为待测电压信号的相位；其中，所述基准角频率ω0为所述待测电压信号u0的角频率，所述步骤S2中频率
2.根据权利要求1所述的一种单相电压数字锁相方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述电平信号u1为正弦电平信号或余弦电平信号。
3.根据权利要求1所述的一种单相电压数字锁相方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述n的取值范围为：1≤n≤10。
4.根据权利要求1所述的一种单相电压数字锁相方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述f1的初始值为
5.根据权利要求1所述的一种单相电压数字锁相方法，其特征在于，记所述待测电压信号u0的频率为f0，且所述采样频率fs的取值范围如下：fs≥100f0。
6.根据权利要求1所述的一种单相电压数字锁相方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述电平矢量和电平矢量的正交积运算如下：
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