CN107846218B - 一种基于梳状滤波器的锁相环 - Google Patents

一种基于梳状滤波器的锁相环 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种基于梳状滤波器的锁相环，本发明中以梳状滤波器取代了传统锁相环中的滑动平均滤波器，梳状滤波器拥有多个非原点处的零极点，各个零极点相互之间的距离较小，当信号频率偏离零点频率时，由于各个零极点相互对消的作用，使得信号几乎不受影响，能够有效地补偿在零点频率处的相位滞后，且梳状滤波器的相位裕度大于滑动平均滤波器的相位裕度，解决了当前锁相环在零极点频率处相位滞后和相位裕度较小的技术问题。

Description

一种基于梳状滤波器的锁相环
技术领域
本发明涉及电力控制领域，尤其涉及一种基于梳状滤波器的锁相环。
背景技术
当各类电能计量装置应用于恶劣电网条件时，为了实现自身装置可靠平稳地挂网运行，并避免电网电压中谐波成分的干扰，需要准确、快速和正确地获取三相电网电压基波正序的相位和频率信息。
在各类并网装置中，为了控制输出的有功和无功功率，电网电压的相位信息非常重要，所以锁相环性能的好坏直接影响到整个系统的性能，对锁相环稳态精度和动态响应以及抑制谐波畸变等的要求越来越高。
当前锁相环采用滑动平均滤波器，在零点频率处相位滞后，除了一个极点非原点外，其他极点均在原点出，且滑动平均滤波器相位裕度较小。因此导致了当前锁相环在零极点频率处相位滞后和相位裕度较小的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种基于梳状滤波器的锁相环，解决了前锁相环在零点频率处相位滞后和相位裕度较小的技术问题。
本发明提供了一种基于梳状滤波器的锁相环，包括：鉴相器、环路滤波器和压控振荡器；
环路滤波器具体包括：范数映射单元、梳状滤波器、PI控制器和参考叠加单元；
所述鉴相器的输出端与所述范数映射单元的输入端通信连接；
所述范数映射单元的输出端与所述梳状滤波器的输入端通信连接；
所述梳状滤波器的输出端与所述PI控制器的输入端通信连接；
所述PI控制器的输出端与所述参考叠加单元的输入端通信连接；
所述参考叠加单元的输出端与所述压控振荡器的输入端通信连接；
所述压控振荡器的第一输出端与鉴相器的第一输入端通信连接。
优选地，还包括：电压传感器、信号调理电路和A/D转换器；
所述电压传感器的输出端与所述信号调理电路的输入端电连接；
所述信号调理电路的输出端与所述A/D转换器的输入端电连接；
所述A/D转换器的输出端与所述鉴相器的第二输入端通信连接。
优选地，还包括：频率相位输出接口；
所述压控振荡器的第二输出端与所述频率相位输出接口通信连接。
优选地，所述鉴相器为数字鉴相器。
优选地，所述数字鉴相器为数字鉴频鉴相器。
优选地，所述压控振荡器为LC压控振荡器。
优选地，所述压控振荡器为晶体压控振荡器。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明提供了一种基于梳状滤波器的锁相环，包括：鉴相器、环路滤波器和压控振荡器；环路滤波器具体包括：范数映射单元、梳状滤波器、PI控制器和参考叠加单元；所述鉴相器的输出端与所述范数映射单元的输入端通信连接；所述范数映射单元的输出端与所述梳状滤波器的输入端通信连接；所述梳状滤波器的输出端与所述PI控制器的输入端通信连接；所述PI控制器的输出端与所述参考叠加单元的输入端通信连接；所述参考叠加单元的输出端与所述压控振荡器的输入端通信连接；所述压控振荡器的第一输出端与鉴相器的第一输入端通信连接。
本发明中以梳状滤波器取代了传统锁相环中的滑动平均滤波器，梳状滤波器拥有多个非原点处的零极点，各个零极点相互之间的距离较小，当信号频率偏离零点频率时，由于各个零极点相互对消的作用，使得信号几乎不受影响，能够有效地补偿在零点频率处的相位滞后，且梳状滤波器的相位裕度大于滑动平均滤波器的相位裕度，解决了当前锁相环在零极点频率处相位滞后和相位裕度较小的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于梳状滤波器的锁相环的一个实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的发生-45度相角跃变的三相电网电压波形图；
图3为本发明实施例提供的基于梳状滤波器的锁相环与传统的基于滑动平均滤波器的锁相环对发生相角跃变的三相电网电压进行响应的实验结果图；
图4为本发明实施例提供的发生-45度相角跃变、电网电压谐波畸变且不平衡条件下的三相电网电压波形图；
图5为本发明实施例提供的基于梳状滤波器的锁相环与传统的基于滑动平均滤波器的锁相环对发生-45度相角跃变、电网电压谐波畸变且不平衡条件下的三相电网电压响应的实验结果图；
其中，附图标记如下：
1、鉴相器；2、环路滤波器；3、压控振荡器；4、电压传感器；5、信号调理电路；6、A/D转换器；7、频率相位输出接口；21、范数映射单元；22、梳状滤波器；23、PI控制器；24、参考叠加单元。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种基于梳状滤波器的锁相环，解决了前锁相环在零点频率处相位滞后和相位裕度较小的技术问题。
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例提供了一种基于梳状滤波器的锁相环的一个实施例，包括：鉴相器1、环路滤波器2和压控振荡器3；
环路滤波器2具体包括：范数映射单元21、梳状滤波器22、PI控制器23和参考叠加单元24；
鉴相器1的输出端与范数映射单元21的输入端通信连接；
范数映射单元21的输出端与梳状滤波器22的输入端通信连接；
梳状滤波器22的输出端与PI控制器23的输入端通信连接；
PI控制器23的输出端与参考叠加单元24的输入端通信连接；
参考叠加单元24的输出端与压控振荡器3的输入端通信连接；
压控振荡器3的第一输出端与鉴相器1的第一输入端通信连接。
需要说明的是，滑动平均滤波器的离散传递函数为：
Figure BDA0001499797360000041
由式(1)可知，滑动平均滤波器的零点均位于单位圆上，除一个极点在(1,0)处，其他极点均在原点(0,0)处；
将式(1)改写成零极点形式，并将z＝ejω代入可得：
Figure BDA0001499797360000042
为了改善滑动平均滤波器的性能，可以将这些原点处的极点移动到对应的零点附件相同频率的位置，即采用梳状滤波器22；
梳状滤波器22的传递函数可以表示为：
Figure BDA0001499797360000043
其中r∈[0,1)为滤波器在零点频率处的衰减系数；
将式(3)改写成零极点形式为：
Figure BDA0001499797360000044
由式(4)可得，梳状滤波器22的零极点位置可表示为：
Figure BDA0001499797360000045
为了使得滤波器在直流频率处获得归一化增益，将z＝1代入式(4)可得：
Figure BDA0001499797360000046
当r的取值接近于1时，梳状滤波器22的零极点相互间的距离较小，当信号频率偏离零点频率处时，由于零极点相互对消的作用，该信号将几乎不受影响；
与传统的滑动平均滤波器比较，梳状滤波器22能有效地补偿在零点频率处的相位滞后，相位裕度明显地获得增大，同时，其通带的幅值响应曲线更为平坦；
本实施例中采用dq坐标作为鉴相器1，可通过梳状滤波器22将电网电压中的谐波和不平衡等扰动分量进行滤出，然后通过PI控制器23和压控振荡器3中的积分环节，得到电网电压的相角信息，并将相角信息反馈到鉴相器1中，实现相角信息的闭环反馈控制，从而最终将电网电压的q轴分量调节为0，实现dq参考旋转坐标系的相角位置对实际电网相角位置的跟踪锁定。
进一步地，还包括：电压传感器4、信号调理电路5和A/D转换器6；
电压传感器4的输出端与信号调理电路5的输入端电连接；
信号调理电路5的输出端与A/D转换器6的输入端电连接；
A/D转换器6的输出端与鉴相器1的第二输入端通信连接。
需要说明的是，电压传感器4测得的电网电压经过信号调理电路5调理之后，需要经过A/D转换器6转换成数字信号才能输入到鉴相器1中进行相角跟踪控制。
进一步地，还包括：频率相位输出接口7；
压控振荡器3的第二输出端与频率相位输出接口7通信连接。
需要说明的是，通过压控振荡器3得到相角信息后，一方面可以反馈到鉴相器1中进行反馈控制，一方面可以通过频率相位输出接口7输出相角信息。
进一步地，鉴相器1为数字鉴相器。
需要说明的是，随着数字电路技术的发展，数字锁相环在调制解调、频率合成、FM立体声解码、彩色副载波同步、图象处理等各个方面得到了广泛的应用；
数字锁相环不仅吸收了数字电路可靠性高、体积小、价格低等优点，还解决了模拟锁相环的直流零点漂移、器件饱和及易受电源和环境温度变化等缺点，此外还具有对离散样值的实时处理能力，已成为锁相技术发展的方向；
锁相环是一个相位反馈控制系统，在数字锁相环中，由于误差控制信号是离散的数字信号，而不是模拟电压，因而受控的输出电压的改变是离散的而不是连续的；
此外，环路组成部件也全用数字电路实现，故而这种锁相环就称之为全数字锁相环(简称DPLL)；
数字锁相环主要由数字鉴相器、可逆计数器、频率切换电路及N分频器四部分组成；
数字鉴相器就是DPLL的主要单元。
进一步地，数字鉴相器为数字鉴频鉴相器。
需要说明的是，数字鉴频鉴相器是一种数字鉴相器；
数字鉴频鉴相器的两个输入信号是脉冲序列，其前沿(或后沿)分别代表各自的相位，比较这两个脉冲序列的频率和相位即可得到与相位差有关的输出；
比相器可由触发器构成。当两个输入信号u1和u2同频同相时，触发器没有输出，充电电流等于零，当u1脉冲序列超前于u2时，触发器产生一个其宽度与相位差成正比的正脉冲，充电电路被充电，其输出电压为正值，大小与充电脉冲宽度成正比，若u1落后于u2,则触发器输出一个负脉冲，充电电路的输出为负值；
数字鉴频鉴相器的鉴相特性为锯齿形；
数字鉴频鉴相器兼具鉴频作用，故称数字鉴频鉴相器。
进一步地，压控振荡器3为LC压控振荡器。
需要说明的是，在任何一种LC振荡器中，将压控可变电抗元件插入振荡回路就可形成LC压控振荡器，早期的压控可变电抗元件是电抗管，后来大都使用变容二极管。
或，进一步地，压控振荡器3为晶体压控振荡器。
需要说明的是，在用石英晶体稳频的振荡器中，把变容二极管和石英晶体相串接，就可形成晶体压控振荡器；
为了扩大调频范围，石英晶体可用AT切割和取用其基频率的石英晶体，在电路上还可采用展宽调频范围的变换网络。
本实施例中以梳状滤波器22取代了传统锁相环中的滑动平均滤波器，梳状滤波器22拥有多个非原点处的零极点，各个零极点相互之间的距离较小，当信号频率偏离零点频率时，由于各个零极点相互对消的作用，使得信号几乎不受影响，能够有效地补偿在零点频率处的相位滞后，且梳状滤波器22的相位裕度大于滑动平均滤波器的相位裕度，解决了当前锁相环在零极点频率处相位滞后和相位裕度较小的技术问题。
以上为本发明实施例提供的一种基于梳状滤波器的锁相环的一个实施例，以下为本发明实施例提供的一种基于梳状滤波器的锁相环的对比应用例。
请参阅图2、图3、图4和图5，本发明实施例提供了一种基于梳状滤波器的锁相环的对比应用例。
本应用例中基于梳状梳状滤波器的锁相环的开环传递函数可表示为：
Figure BDA0001499797360000071
基于梳状滤波器的锁相环的参数选取为kp＝180，ki＝15000，r＝0.99，基于梳状滤波器的锁相环可具有较大的带宽，能够更为快速地对电网动态变化进行跟踪；
实验一：图2为三相电压对称情况下，发生-45度相角跃变的三相电网电压波形图，图3为基于梳状滤波器的锁相环与传统的基于滑动平均滤波器的锁相环对发生相角跃变的三相电网电压进行响应的实验结果图；
有图3可以看出基于梳状滤波器的锁相环与传统的基于滑动平均滤波器的锁相环相比，能更为快速对电网相位变化进行响应。
实验二，图4为三相电压对称情况下，发生-45度相角跃变、电网电压谐波畸变且不平衡条件下的三相电网电压波形图，图5为基于梳状滤波器的锁相环与传统的基于滑动平均滤波器的锁相环对发生-45度相角跃变、电网电压谐波畸变且不平衡条件下的三相电网电压响应的实验结果图；
由图5可以看出基于梳状滤波器的锁相环能更为快速实现电网相位跟踪，并且对电网不平衡和谐波畸变等扰动具有极佳的抑制能力。
综上所述，基于梳状滤波器的锁相环能够有效地补偿在零点频率处的相位滞后，且梳状滤波器的相位裕度大于滑动平均滤波器的相位裕度，并对电网不平衡和谐波畸变等扰动具有极佳的抑制能力，解决了当前锁相环在零极点频率处相位滞后和相位裕度较小的技术问题。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种基于梳状滤波器的锁相环，其特征在于，包括：鉴相器、环路滤波器和压控振荡器；
环路滤波器具体包括：范数映射单元、梳状滤波器、PI控制器和参考叠加单元；
所述鉴相器的输出端与所述范数映射单元的输入端通信连接；
所述范数映射单元的输出端与所述梳状滤波器的输入端通信连接；
所述梳状滤波器的输出端与所述PI控制器的输入端通信连接；
所述PI控制器的输出端与所述参考叠加单元的输入端通信连接；
所述参考叠加单元的输出端与所述压控振荡器的输入端通信连接；
所述压控振荡器的第一输出端与鉴相器的第一输入端通信连接；
所述梳状滤波器的传递函数可以表示为：
Figure FDA0004273844560000011
其中r∈[0,1)为所述梳状滤波器在零点频率处的衰减系数；
将所述传递函数改写成零极点形式为：
Figure FDA0004273844560000012
由所述零极点形式的所述传递函数可得，所述梳状滤波器的零极点位置可表示为：
Figure FDA0004273844560000013
为了使得所述梳状滤波器在直流频率处获得归一化增益，将z＝1代入所述零极点形式的所述传递函数可得：
Figure FDA0004273844560000014
2.根据权利要求1所述一种基于梳状滤波器的锁相环，其特征在于，还包括：电压传感器、信号调理电路和A/D转换器；
所述电压传感器的输出端与所述信号调理电路的输入端电连接；
所述信号调理电路的输出端与所述A/D转换器的输入端电连接；
所述A/D转换器的输出端与所述鉴相器的第二输入端通信连接。
3.根据权利要求1所述一种基于梳状滤波器的锁相环，其特征在于，还包括：频率相位输出接口；
所述压控振荡器的第二输出端与所述频率相位输出接口通信连接。
4.根据权利要求1所述一种基于梳状滤波器的锁相环，其特征在于，所述鉴相器为数字鉴相器。
5.根据权利要求4所述一种基于梳状滤波器的锁相环，其特征在于，所述数字鉴相器为数字鉴频鉴相器。
6.根据权利要求1所述一种基于梳状滤波器的锁相环，其特征在于，所述压控振荡器为LC压控振荡器。
7.根据权利要求1所述一种基于梳状滤波器的锁相环，其特征在于，所述压控振荡器为晶体压控振荡器。
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