CN108020715A - 一种单相正弦信号幅值与相位快速检测方法 - Google Patents

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许磊
方芸
魏华
雷阳
杜红彪
杨辉
林莉
柳明
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Abstract

本发明公开了一种单相正弦信号幅值与相位快速检测方法。该方法使用传感器将正弦信号采样变换成电压信号后送入数字控制器，控制器采用恒定时间间隔的方式采样该信号并计算幅值与相位。该方法只需要相邻两次采样值就可以计算出单相正弦信号幅值与相位，相对传统单相正弦信号幅值与相位检测方法，该方法不需要在正弦信号的半周期或全周期内进行多次采样，因而节省了控制器内存，简化了算法，提高了动态响应速度。

Description

一种单相正弦信号幅值与相位快速检测方法
技术领域
本发明涉及电子测量技术领域，特别是涉及一种单相交流信号的幅值与相位快速检测方法。
背景技术
在诸多电子设备中，往往需要检测正弦信号的幅值与相位。对于三相正弦信号，可通过坐标变换的方法实时计算三相正弦信号的的幅值与相位。对于单相正弦信号，坐标变换方法并不适用，通常方法是在单相正弦信号半周期或全周期内多次采样，通过计算平均值或有效值的方法来间接得到幅值。这种计算方法为保证精度，在一个正弦信号周期内需进行多次采样(一般采样频率至少是正弦信号频率的20倍)，控制器需要将所有的采样数据保存并计算，因此需要的内存大，运算量大，动态响应特性不够理想。
发明内容
本发明的目的在于提供单相正弦信号幅值与相位快速检测方法。该方法只需要相邻两次采样值就可以计算出幅值与相位，控制器的内存占用少，运算量小，动态性能好。
具体而言，本发明提供一种单相正弦信号幅值快速检测方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
步骤S1：采用专用传感器检测单相正弦信号；
步骤S2：对传感器输出的单相正弦信号进行预处理；
步骤S3：将预处理后的单相正弦信号进行模数转换；
步骤S4：以如下方式采样正弦信号：每隔Ts读取一次数字采样值并除以采样系数得到正弦信号瞬时值i(k)并保存，Ts为预设中断周期，式中的k表示第k个中断周期，并且保存前一个中断周期的采样值i(k-1)；
步骤S5：在第k个中断周期中，通过以下表达式计算正弦信号幅值A：
上式中，i(k-1)与i(k)分别为第k-1与第k个中断周期正弦信号瞬时采样值，其中，cosΔθ＝cos(2πfTs)，sinΔθ＝sin(2πfTs)，f为所检测的正弦信号频率，
步骤S6：在每个中断周期重复上述步骤S4-S5，将i(k)代替i(k-1)，将i(k+1)代替i(k)，计算最新的正弦信号幅值；
步骤S7：对通过步骤S6计算出的若干次幅值进行平均或低通滤波。
在一种优选实现方式中，所述方法还包括以如下方式计算正弦信号相位
上式中，A是步骤S5中计算出来的正弦信号幅值，如果正弦信号的相位等于如果正弦信号的相位等于在每个中断周期中可以实时更新相位。
本发明的优点是：1、占用内存少；2、计算量小；3.动态性能好。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的硬件检测电路；
图2是根据本发明一个实施例的幅值与相位检测算法的程序流程图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是根据本发明方法所适用的硬件检测电路的示例。其包括传感器、调理电路以及数字控制器。
本发明的方法在执行时，首先采用专用传感器检测单相正弦信号，传感器输出的是单相正弦电压或电流信号，调理电路对传感器输出的采样信号进行滤波与变换(变换的目的是使其适应后续的数字控制器，比如调整电压等)后送入数字控制器(一般为DSP，单片机或ARM芯片)的模数转换模块。
数字控制器以如下方式采样正弦信号：数字控制器每隔Ts(Ts为中断周期，一般为微秒级)时间读取一次数字采样值并除以采样系数得到正弦信号瞬时值i(k)并保存，式中的k表示第k个中断周期。数字控制器同时保存前一个中断周期的采样值i(k-1)。
数字控制器以如下方式计算正弦信号幅值：在计算幅值时，需要用到以下两个常数。常数1为cosθ＝cos(2πfTs)，常数2为sinθ＝sin(2πfTs)，这两个常数中f为正弦信号频率。
在第k个中断周期中，本发明的方法通过以下表达式计算正弦信号幅值A：
上式中，i(k-1)与i(k)分别为第k-1与第k个中断周期正弦信号瞬时采样值。从式中可见，只需要相邻两个中断周期的采样值就可以得到正弦信号幅值，因而占用内存小，计算量小，动态性能好。
在第k+1个中断周期中，只需要将i(k)代替i(k-1)，将i(k+1)代替i(k)，即可得到最新的正弦信号幅值。
数字控制器以如下方式计算正弦信号相位：在第k个中断周期中，程序首先通过以下表达式计算正弦信号相角
上式中，A是已经计算出来的正弦信号幅值。如果正弦信号的相位等于如果正弦信号的相位等于同计算幅值一样，在每个中断周期中可以实时更新相位。
图2是根据本发明一个实施例的幅值与相位检测算法的程序流程图。程序首先读取计算当前正弦信号瞬时采样值i(k)，然后根据推导的幅值与相位计算公式分别计算当前正弦信号幅值与相位角。特别地，在计算相角时，需根据表达式的正负做判断。为使下一个中断周期能准确计算幅值与相位，在程序末尾需用i(k)更新i(k-1)。
以开关频率10kHz检测一个50Hz单相正弦信号的幅值与相位为例，检测时，每100us采样一次该正弦信号。传统的幅值与相位检测方法至少需要保存100个该正弦信号的瞬时采样值，并计算这100个瞬时采样值的平方和再开方。而采用本发明的幅值与相位检测方法，只需要保存2个该正弦信号的瞬时采样值，并计算2个瞬时采样值的平方和再开方。实际中为避免正弦信号偶发干扰对幅值检测的影响，可对多次计算出的幅值进行平均或低通滤波。尽管如此，相对传统单相正弦信号幅值与相位检测方法，本发明所提出的检测算法显著减少内存占用，明显减少计算量。

Claims (3)

1.一种单相正弦信号幅值快速检测方法，其特征在于，所述方法包括:采用专用传感器检测单相正弦信号，并且对正弦信号进行预处理，并且基于正弦信号的瞬时值进行弦信号幅值的计算。
2.根据权利要求1所述的单相正弦信号幅值快速检测方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
步骤S1：采用专用传感器检测单相正弦信号；
步骤S2：对传感器输出的单相正弦信号进行预处理；
步骤S3：将预处理后的单相正弦信号进行模数转换；
步骤S4：采样正弦信号；
步骤S5：基于正弦信号的瞬时值进行弦信号幅值的计算，
步骤S6：在每个中断周期重复上述步骤S4-S5，计算最新的正弦信号幅值；
步骤S7：对通过步骤S6计算出的若干次幅值进行平均或低通滤波。
3.根据权利要求1所述的单相正弦信号幅值快速检测方法，其特征在于，所述方法还包括以如下方式计算正弦信号相位
上式中，A是步骤S5中计算出来的正弦信号幅值，如果正弦信号的相位等于如果正弦信号的相位等于在每个中断周期中可以实时更新相位。
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