CN107991534B - 一种单相电压数字锁相调节步长、方法及装置 - Google Patents

一种单相电压数字锁相调节步长、方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种单相电压数字锁相方法，设定锁相调节步长最小值，当调节步长小于该最小值时，令其等于该最小值，再根据电压数字信号和调节步长构建平面矢量圆，并对矢量圆进行平面坐标旋转变换得到相位差分量，进而通过PI控制器、积分器实现锁相；本发明还提供一种用于单相电压数字锁相的锁相调节步长及锁相装置。本发明能够保证在系统的各种状态下均能正常锁相，当从电池态切换为市电逆变态后，不会出现因调节步长趋近于零而无法完成锁相的情况；且当从市电切换到旁路后，若旁路频率较高，则最小限值也将增大，进而增大调节步长，避免出现频率较高但调节步长却过小，无法很快计算出正确频率值，最终导致旁路频率异常的情况。

Description

一种单相电压数字锁相调节步长、方法及装置
技术领域
本发明涉及一种单相电压数字锁相调节步长、方法及装置。
背景技术
现有技术中，单相电压数字锁相是通过对待预测电压进行数字采样、正弦变换等数字手段，为待预测电压构造一个矢量圆，再通过平面坐标旋转变换实现。但单相电压数字锁相方案应用于单相不间断电源系统中时，存在以下缺陷：一、市电异常时，系统从市电逆变状态切换到电池逆变状态，但当市电恢复正常，系统再次切换至市电逆变状态时，出现锁相无法完成的情况，这是因为当切换至电池逆变状态时，系统仍需进行锁相计算，但此时锁相的目标电压为零，导致锁相调节步长趋近于零，无法完成正常的频率计算与相位计算，故而无法完成锁相；二、系统有市电与旁路两路交流输入时，当上电后锁相目标电压在市电与旁路之间切换时，会出现频率计算错误的情况，这是因为在系统刚上电时，优先使用市电进行锁相，如果此时判断出市电幅值异常而旁路正常，则锁相目标电压会由市电电压切换为旁路电压，不仅锁相时间长，且如果此时旁路频率较高(例如60Hz频率模式)，则会因为锁相调节步长过小，而出现频率计算过慢，无法很快计算出正确频率值，进而导致旁路频率异常，上电旁路频率异常问题会引起旁路掉电、频率自适应失败等问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种单相电压数字锁相调节步长、方法及装置，对调节步长进行最小限幅，有效避免出现无法完成锁相或者旁路频率异常的情况。
本发明通过以下技术方案实现：
一种单相电压数字锁相方法，包括如下步骤：
A、对目标电压u(t)进行频率为fs的采样得到电压数字信号u(k)；
B、根据电压数字信号u(k)判断目标电压u(t)的过零点，并根据相邻过零点计算目标电压u(t)的估算频率f″0，计算锁相调节步长最小限值
Figure GDA0002225103040000021
其中，Δf为小于f″0的常数；
C、计算调节步长
Figure GDA0002225103040000022
并判断K是否小于Kmin，若是，进入步骤D，否则进入步骤E，其中，f′0为锁相计算后反馈的目标电压u(t)的频率，其初始值为目标电压u(t)的基准频率f0；
D、取K＝Kmin，并进入步骤E；
E、构建平面矢量圆
Figure GDA0002225103040000023
其中，
Figure GDA0002225103040000024
F、对平面矢量圆
Figure GDA0002225103040000025
进行平面坐标旋转变换，得到相位差分量Vq，并将Vq输入PI控制器，通过该PI控制器将相位差分量Vq调节趋向0；将所述PI控制器输出的增量角频率Δω和目标电压u(t)的基准角频率ω0累加获得角频率ω′，并经积分器积分输出相位角θ′，达到稳态后，相位角θ′即为目标电压u(t)的相位。
进一步的，所述Δf取值范围为4Hz≤Δf≤6Hz。
进一步的，在fs＞＞f′0条件下，
Figure GDA0002225103040000026
进一步的，所述目标电压u(t)为正弦信号，
Figure GDA0002225103040000027
构建C＝[sinθ′ cosθ′]，相位差分量
Figure GDA0002225103040000031
其中，
Figure GDA0002225103040000032
进一步的，所述目标电压u(t)为余弦信号，
Figure GDA0002225103040000033
构建C＝[cosθ′ -sinθ′]，相位差分量
Figure GDA0002225103040000034
其中，
Figure GDA0002225103040000035
本发明还通过以下技术方案实现：
一种用于单相电压数字锁相的锁相调节步长，该调节步长
Figure GDA0002225103040000036
设定调节步长最小限值Kmin，该Kmin与fs和f″0相关联，当调节步长K小于Kmin时，取K＝Kmin，fs为目标电压u(t)的采样频率，f′0为锁相计算后反馈的目标电压u(t)的频率，f″0为根据电压数字信号u(k)计算的目标电压u(t)的估算频率。
进一步的，所述
Figure GDA0002225103040000037
其中，Δf为小于f″0的常数。
本发明还通过以下技术方案实现：
一种单相电压数字锁相装置，包括：
采样模块：用于对目标电压u(t)进行频率为fs的采样得到电压数字信号u(k)；
限值模块：用于根据电压数字信号u(k)判断目标电压u(t)的过零点，并根据相邻过零点计算目标电压u(t)的估算频率f″0，计算锁相调节步长最小限值
Figure GDA0002225103040000038
其中，Δf为小于f″0的常数；
调节步长确定模块：用于计算调节步长
Figure GDA0002225103040000039
并判断K是否小于Kmin，若是，令K＝Kmin；其中，f′0为锁相计算后反馈的目标电压u(t)的频率，其初始值为目标电压u(t)的基准频率f0；
矢量圆构建模块：用于构建平面矢量圆
Figure GDA0002225103040000041
其中，
Figure GDA0002225103040000042
输出相位确定模块：用于对平面矢量圆
Figure GDA0002225103040000043
进行平面坐标旋转变换，得到相位差分量Vq，并将Vq输入PI控制器，通过该PI控制器将相位差分量Vq调节趋向0；将所述PI控制器输出的增量角频率Δω和目标电压u(t)的基准角频率ω0累加获得角频率ω′，并经积分器积分输出相位角θ′，达到稳态后，相位角θ′即为目标电压u(t)的相位。
进一步的，所述Δf取值范围为4Hz≤Δf≤6Hz。
进一步的，在fs＞＞f′0条件下，
Figure GDA0002225103040000044
本发明具有如下有益效果：
本发明根据目标电压u(t)的估算频率对锁相过程中的调节步长的最小限值
Figure GDA0002225103040000045
当调节步长K小于最小限值时，令调节步长K等于最小限值Kmin，再利用调节步长K及目标电压的采样值u(k)构建平面矢量圆
Figure GDA0002225103040000046
并对矢量圆
Figure GDA0002225103040000047
进行平面坐标旋转变换得到相位差分量Vq，PI控制器将Vq调节趋向0，PI控制器输出的增量角频率Δω和目标电压u(t)的基准角频率ω0累加获得角频率ω′，并经积分器积分输出相位角θ′，达到稳态后，相位角θ′即为目标电压u(t)的相位，即实现锁相；对调节步长设置最小限值，且最小限值根据目标电压频率的不同而不同，能够保证本发明在系统的各种状态下均能正常发挥作用，当从电池态切换为市电逆变态后，不会出现因调节步长K趋近于零而无法完成锁相的情况；且当从市电切换到旁路后，如果旁路频率较高，则最小限值也将增大，进而增大调节步长K，避免出现频率较高但调节步长却过小，导致出现频率计算过慢，无法很快计算出正确频率值，最终导致旁路频率异常的情况。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
图1为本发明的单相电压数字锁相方法的原理框图。
图2为本发明的单相电压数字锁相方法的流程图。
具体实施方式
如图1和图2所示，一种单相电压数字锁相方法，包括如下步骤：
A、对目标电压u(t)进行频率为fs的采样得到电压数字信号u(k)，本实施例中，目标电压为正弦信号：u(t)＝U0∠00＝U0sin(ωt)，假定目标电压u(t)的初始相位为00，则采样后得到的电压数字信号
Figure GDA0002225103040000051
f0为目标电压u(t)的基准频率，U0为目标电压u(t)的幅值；
B、根据电压数字信号u(k)判断目标电压u(t)的过零点，并根据相邻过零点计算目标电压u(t)的估算频率f″0，计算锁相调节步长最小限值
Figure GDA0002225103040000052
其中，Δf为小于f″0的常数，其取值范围为4Hz≤Δf≤6Hz，在本实施例中，取Δf＝5Hz；
C、计算锁相调节步长
Figure GDA0002225103040000053
并判断K是否小于Kmin，若是，进入步骤D，否则进入步骤E，其中，f′0为锁相计算后反馈的目标电压u(t)的频率，其初始值为目标电压u(t)的基准频率f0，在一般的数字采样系统中，采样频率fs＞＞f′0，本实施例中，取fs＝20kHz，因此在实际计算时，调节步长可依照
Figure GDA0002225103040000054
进行等效计算；
D、取K＝Kmin，并进入步骤E；
E、构建平面矢量圆
Figure GDA0002225103040000061
其中，
Figure GDA0002225103040000062
Figure GDA0002225103040000063
F、对平面矢量圆
Figure GDA0002225103040000064
进行平面坐标旋转变换，得到相位差分量，并将Vq输入PI控制器，通过该PI控制器将相位差分量Vq调节趋向0；将所述PI控制器输出的增量角频率Δω和目标电压u(t)的基准角频率ω0累加获得角频率ω′，并经积分器积分输出相位θ′，达到稳态后，相位θ′即为目标电压u(t)的相位；
其中，平面坐标旋转变换的过程为：
目标电压u(t)为正弦信号，构建C＝[sinθ′ cosθ′]T，令
Figure GDA0002225103040000065
相位差分量
Figure GDA0002225103040000066
达到稳态后，Vq＝U0sin(θ-θ′)＝0，则积分器输出的相位θ′即为目标电压u(t)的相位θ。
一种单相电压数字锁相装置，包括：
采样模块：用于对目标电压u(t)进行频率为fs的采样得到电压数字信号u(k)；
限值模块：用于根据电压数字信号u(k)判断目标电压u(t)的过零点，并根据相邻过零点计算目标电压u(t)的估算频率f″0，计算锁相调节步长最小限值
Figure GDA0002225103040000071
其中，Δf为小于f″0的常数，取值范围为4Hz≤Δf≤6Hz，本实施例中取Δf＝5Hz；
调节步长确定模块：用于计算调节步长
Figure GDA0002225103040000072
并判断K是否小于Kmin，若是，取K＝Kmin；其中，f′0为锁相计算后反馈的目标电压u(t)的频率，其初始值为目标电压u(t)的基准频率f0，在一般的数字采样系统中，采样频率fs＞＞f′0，本实施例中，取fs＝20kHz，因此在实际计算时，调节步长可依照
Figure GDA0002225103040000073
矢量圆构建模块：用于构建平面矢量圆
Figure GDA0002225103040000074
其中，
Figure GDA0002225103040000075
输出相位确定模块：用于对平面矢量圆
Figure GDA0002225103040000076
进行平面坐标旋转变换，得到相位差分量Vq，并将Vq输入PI控制器，通过该PI控制器将相位差分量Vq调节趋向0；将所述PI控制器输出的增量角频率Δω和目标电压u(t)的基准角频率ω0累加获得角频率ω′，并经积分器积分输出相位角θ′，达到稳态后，相位角θ′即为目标电压u(t)的相位。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能以此限定本发明实施的范围，即依本发明申请专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (9)

1.一种单相电压数字锁相方法，其特征在于：包括如下步骤：
A、对目标电压u(t)进行频率为fs的采样得到电压数字信号u(k)；
B、根据电压数字信号u(k)判断目标电压u(t)的过零点，并根据相邻过零点计算目标电压u(t)的估算频率f″0，计算锁相调节步长最小限值
Figure FDA0002251610990000011
其中，Δf为小于f″0的常数；
C、计算调节步长
Figure FDA0002251610990000012
并判断K是否小于Kmin，若是，进入步骤D，否则进入步骤E，其中，f′0为锁相计算后反馈的目标电压u(t)的频率，其初始值为目标电压u(t)的基准频率f0；
D、取K＝Kmin，并进入步骤E；
E、构建平面矢量圆
Figure FDA0002251610990000013
其中，
Figure FDA0002251610990000014
F、对平面矢量圆
Figure FDA0002251610990000015
进行平面坐标旋转变换，得到相位差分量Vq，并将Vq输入PI控制器，通过该PI控制器将相位差分量Vq调节趋向0；将所述PI控制器输出的增量角频率Δω和目标电压u(t)的基准角频率ω0累加获得角频率ω′，并经积分器积分输出相位角θ′，达到稳态后，相位角θ′即为目标电压u(t)的相位。
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：所述Δf取值范围为4Hz≤Δf≤6Hz。
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：所述步骤C中，在fs＞＞f′0条件下，
Figure FDA0002251610990000016
4.根据权利要求1或2或3所述的一种单相电压数字锁相方法，其特征在于：所述目标电压u(t)为正弦信号，
Figure FDA0002251610990000017
构建C＝[sinθ′ cosθ′]，相位差分量
Figure FDA0002251610990000021
其中，
Figure FDA0002251610990000022
5.根据权利要求1或2或3所述的一种单相电压数字锁相方法，其特征在于：所述目标电压u(t)为余弦信号，
Figure FDA0002251610990000023
构建C＝[cosθ′ -sinθ′]，相位差分量
Figure FDA0002251610990000024
其中，
Figure FDA0002251610990000025
6.一种用于单相电压数字锁相的锁相调节步长的设置方法，该调节步长
Figure FDA0002251610990000026
其特征在于：设定调节步长最小限值Kmin，该Kmin与fs和f″0相关联，当调节步长K小于Kmin时，取K＝Kmin，fs为目标电压u(t)的采样频率，f′0为锁相计算后反馈的目标电压u(t)的频率，f″0为根据电压数字信号u(k)计算的目标电压u(t)的估算频率；所述
Figure FDA0002251610990000027
其中，Δf为小于f″0的常数。
7.一种单相电压数字锁相装置，其特征在于：包括：
采样模块：用于对目标电压u(t)进行频率为fs的采样得到电压数字信号u(k)；
限值模块：用于根据电压数字信号u(k)判断目标电压u(t)的过零点，并根据相邻过零点计算目标电压u(t)的估算频率f″0，计算锁相调节步长最小限值
Figure FDA0002251610990000028
其中，Δf为小于f″0的常数；
调节步长确定模块：用于计算调节步长
Figure FDA0002251610990000029
并判断K是否小于Kmin，若是，取K＝Kmin；其中，f′0为锁相计算后反馈的目标电压u(t)的频率，其初始值为目标电压u(t)的基准频率f0；
矢量圆构建模块：用于构建平面矢量圆
Figure FDA00022516109900000210
其中，
Figure FDA00022516109900000211
输出相位确定模块：用于对平面矢量圆
Figure FDA0002251610990000032
进行平面坐标旋转变换，得到相位差分量Vq，并将Vq输入PI控制器，通过该PI控制器将相位差分量Vq调节趋向0；将所述PI控制器输出的增量角频率Δω和目标电压u(t)的基准角频率ω0累加获得角频率ω′，并经积分器积分输出相位角θ′，达到稳态后，相位角θ′即为目标电压u(t)的相位。
8.根据权利要求7所述的一种单相电压数字锁相装置，其特征在于：所述Δf取值范围为4Hz≤Δf≤6Hz。
9.根据权利要求7或8所述的一种单相电压数字锁相装置，其特征在于：在fs＞＞f′0条件下，
Figure FDA0002251610990000031
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