CN108323220A - 基于全通滤波器的单相锁相环及锁相方法 - Google Patents

Abstract

一种基于全通滤波器的单相锁相环及锁相方法，所述单相锁相环包括：全通滤波器(102)，用于接收输入的电网电压信号U_i和频率信号Omiga，根据电网电压信号U_i和频率信号Omiga确定输出端输出的第一正弦信号Ualfa和第二正弦信号Ubata；与全通滤波器的输出端连接的鉴相器(104)，用于根据全通滤波器输出的第一正弦信号Ualfa、第二正弦信号Ubata和预设的参考信号确定电网电压信号U_i与参考信号的相位差，根据相位差确定输出端输出的相位调整参数Theta；输入端与鉴相器的输出端连接，输出端与全通滤波器连接的比例积分控制器(106)，用于根据鉴相器输出的相位调整参数Theta确定输出端输出的频率信号Omiga，并将频率信号Omiga输出到全通滤波器的输入端。上述单项锁相环及锁相方法算法实现简单，且可实时跟踪频率变化的正弦信号。

Description

基于全通滤波器的单相锁相环及锁相方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种基于全通滤波器的单相锁相环及锁相方法。

背景技术

随着电力电子技术的进一步发展，对于快速、精准的获取电压的相位、频率信息愈发重要。锁相环一般是由鉴相器、滤波器、控制器和压控振荡器组成，是一个由压控振荡器产生的输出信号与参考信号或者输入信号在频率和相位上同步的电路，在同步(通常称为锁定)状态，压控振荡器输出信号和参考信号之间的相位差为0或者保持常数。

现有技术中，采用硬件实现单相锁相环增加了硬件成本开销，而且在电网过零点时容易产生误判现象。软件实现的单相锁相环常用的有基于广义二阶积分和存储采样点的方法。其中，广义二阶积分是电网电压经过两个传递函数分别产生与电网电压同相正弦信号和滞后电网电压90度后的正弦信号，这两个传递函数比较复杂，实现起来需要多个参数参与运算；而存储采样点方法需要保存一个周期的采样波形，比较占用内存资源。

全通滤波器的传递函数g(s)＝(w-s)÷(w+s)，其中相角w＝2πf，f为频率。由图1可知，当频率f＝50Hz时，相位超前270度，也可以说成滞后90度，幅频特性全频段内0分贝，实现了单相锁环。但是由于电网电压的频率不是固定值，所以不能直接通过全通滤波器的传递函数产生与电网电压同相正弦信号和滞后电网电压90度的正弦信号。

发明内容

基于此，为了上述传统技术中电网频率变化时实现单相锁相环的过程复杂且锁相效果差的技术问题，提供了一种基于全通滤波器的单相锁相环。

本发明第一方面提供了一种基于全通滤波器的单相锁相环，包括：

全通滤波器，用于接收输入的电网电压信号U_i和频率信号Omiga，根据所述电网电压信号U_i和所述频率信号Omiga确定输出端输出的第一正弦信号Ualfa和第二正弦信号Ubata，所述第一正弦信号Ualfa与所述电网电压信号U_i同频同相，所述第二正弦信号Ubata的相位滞后所述电网电压信号U_i90度；

与所述全通滤波器的输出端连接的鉴相器，用于鉴相器根据所述全通滤波器输出的第一正弦信号Ualfa、第二正弦信号Ubata和预设的参考信号确定所述电网电压信号U_i与所述参考信号的相位差，根据所述相位差确定输出端输出的相位调整参数Theta；

输入端与所述鉴相器的输出端连接，输出端与所述全通滤波器连接的PI控制器，用于根据所述鉴相器输出的相位调整参数Theta确定输出端输出的频率信号Omiga，并将所述频率信号Omiga输出到所述全通滤波器的输入端。

在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述鉴相器还用于根据所述电网电压信号U_i与所述参考信号的相位差获取所述相位差的正弦分量和余弦分量，根据所述正弦分量和余弦分量确定所述相位差所在的目标象限，根据所述目标象限和预设的象限调整参数确定所述相位调整参数Theta。

在第一方面的第二种可能的实现方式中，所述全通滤波器还用于根据公式：

Ualfa＝U_i

Ubata＝-a*Ubata₁+a*U_i+Omiga

其中，a＝(Omiga*T-2)÷(Omiga*T+2)

计算所述第一正弦信号Ualfa和第二正弦信号Ubata，其中Ubata₁为前一次输出的第二正弦信号Ubata，T为所述电网电压信号U_i的周期。

在第一方面的第三种可能的实现方式中，所述电网电压信号U_i的频率范围为40～70Hz。

此外，为了上述传统技术中电网频率变化时实现单相锁相环的过程复杂且锁相效果差的技术问题，提供了一种基于全通滤波器的单相锁相环的锁相方法。

本发明第二方面提供了一种基于全通滤波器的单相锁相环的锁相方法，包括：

全通滤波器接收输入的电网电压信号U_i和频率信号Omiga，根据所述电网电压信号U_i和所述频率信号Omiga确定输出端输出的第一正弦信号Ualfa和第二正弦信号Ubata，所述第一正弦信号Ualfa与所述电网电压信号U_i同频同相，所述第二正弦信号Ubata的相位滞后所述电网电压信号U_i90度；

鉴相器根据所述全通滤波器输出的第一正弦信号Ualfa、第二正弦信号Ubata和预设的参考信号确定所述电网电压信号U_i与所述参考信号的相位差，根据所述相位差确定输出端输出的相位调整参数Theta；

PI控制器根据所述鉴相器输出的相位调整参数Theta确定输出端输出的频率信号Omiga，并将所述频率信号Omiga输出到所述全通滤波器的输入端。

在第二方面的第一种可能的实现方式中，所述鉴相器根据所述相位差确定输出端输出的相位调整参数Theta还包括：

所述鉴相器根据所述电网电压信号U_i与所述参考信号的相位差获取所述相位差的正弦分量和余弦分量，根据所述正弦分量和余弦分量确定所述相位差所在的目标象限，根据所述目标象限和预设的象限调整参数确定所述相位调整参数Theta。

在第二方面的第二种可能的实现方式中，所述全通滤波器根据所述电网电压信号U_i和所述频率信号Omiga确定输出端输出的第一正弦信号Ualfa和第二正弦信号Ubata还包括：

所述全通滤波器根据公式：

Ualfa＝U_i

Ubata＝-a*Ubata₁+a*U_i+Omiga

其中，a＝(Omiga*T-2)÷(Omiga*T+2)

计算所述第一正弦信号Ualfa和第二正弦信号Ubata，其中Ubata₁为前一次输出的第二正弦信号Ubata，T为所述电网电压信号U_i的周期。

在第二方面的第三种可能的实现方式中，所述电网电压信号U_i的频率范围为40～70Hz。

实施本发明实施例，将具有如下有益效果：

本文提出了一种基于全通滤波器的单相锁相环及锁相方法，全通滤波器根据电网电压信号U_i和接收到的所述频率信号Omiga确定第一正弦信号Ualfa和第二正弦信号Ubata；鉴相器根据第一正弦信号Ualfa、第二正弦信号Ubata和预设的参考信号确定电网电压信号U_i与参考信号的相位差，由相位差确定输出端输出的相位调整参数Theta；PI控制器由相位调整参数Theta确定频率信号Omiga，将频率信号Omiga输出到全通滤波器的输入端。从而形成电压反馈实现单相锁相环，可实时跟踪频率变换的正弦信号，算法实现简单，而且不占用资源。

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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

其中：

图1为全通滤波器的传递函数的波特图；

图2为本发明提供的一种基于全通滤波器的单相锁相环的结构图；

图3为正弦函数和余弦函数的曲线图；

图4为本发明提供的一种鉴相器确定相位调整参数Theta的方法流程图；

图5为本发明提供的一种基于全通滤波器的单相锁相环的MATLAB仿真模型图；

图6为本发明提供的一种基于全通滤波器的单相锁相环的仿真波形图；

图7为本发明提供的一种基于全通滤波器的单相锁相环的锁相方法流程图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为解决上述传统技术中电网频率变化时实现单相锁相环的过程复杂且锁相效果差技术问题，在一个实施例中，特提出了一种基于全通滤波器的单相锁相环。

具体的，如图2所示，一种基于全通滤波器的单相锁相环，包括全通滤波器102、与全通滤波器102的输出端连接的鉴相器104以及输入端与所述鉴相器104的输出端连接，输出端与全通滤波器102的输入端连接的比例积分(Proportion Integration，PI)控制器106，其中：

全通滤波器102，用于接收输入的电网电压信号U_i和频率信号Omiga，根据所述电网电压信号U_i和所述频率信号Omiga确定输出端输出的第一正弦信号Ualfa和第二正弦信号Ubata，所述第一正弦信号Ualfa与所述电网电压信号U_i同频同相，所述第二正弦信号Ubata的相位滞后所述电网电压信号U_i90度。

滤波器的传递函数是指零初始条件下线性系统响应(即输出)量的z变换(或拉普拉斯变换)与激励(即输入)量的z变换之比。传递函数是由系统的本质特性确定的，与输入量无关。也就是说确定传递函数之后，可根据输入量确定输出量，或者根据需要的输出量确定输入量。

全通滤波器能改变输入信号的相位，它的传递函数g(z)：

式(1)中，相位w＝2πf，周期f为频率。

将g(z)转换成差分方程，令

式(2)中，U₀(z)、U_i(z)分别为输出量和输入量的z变换。

得到差分方程为：

得到当前输出：

式(4)中，U₀(k+1)为当前输出，U₀(k)为前一次输出，U_i(k+1)为当前输入，U_i(k)为前一次输出。

全通滤波器102的输入端为电网电压信号U_i和频率信号Omiga，根据式(4)确定全通滤波器102的输出端第一正弦信号Ualfa和第二正弦信号Ubata分别为：

Ualfa＝U_i

Ubata＝-a*Ubata₁+a*U_i+Omiga

其中，增益系数a＝(Omiga*T-2)÷(Omiga*T+2)，Ubata₁为前一次输出的第二正弦信号Ubata，T为所述电网电压信号U_i的周期。

在本实施例中，鉴相器104根据所述全通滤波器102输出的第一正弦信号Ualfa、第二正弦信号Ubata和预设的参考信号确定所述电网电压信号U_i与所述参考信号的相位差，根据所述相位差确定输出端输出的相位调整参数Theta。

预设的参考信号为锁相环内部的余弦参考信号和正弦参考信号。具体的：所述鉴相器104还用于根据所述电网电压信号U_i与所述参考信号的相位差获取所述相位差的正弦分量Q和余弦分量D，根据所述正弦分量Q和余弦分量D确定所述相位差所在的目标象限，根据所述目标象限和预设的象限调整参数确定所述相位调整参数Theta。

计算电网电压信号U_i与参考信号的相位差的正弦分量Q和余弦分量D：

D＝Cos(θ-θ') (5)

Q＝Sin(θ-θ') (6)

其中，θ为电网电压信号U_i的相位，θ'为参考信号的相位。

由图3所示正弦函数和余弦函数的曲线图可看出，当相位差位于第一象限时，正弦分量Q>0且余弦分量D>0；当相位差位于第二象限时，正弦分量Q>0且余弦分量D<0；当相位差位于第三象限时，正弦分量Q<0且余弦分量D<0；当相位差位于第一象限时，正弦分量Q<0且余弦分量D>0。

也就是说，可根据正弦分量Q和余弦分量D确定相位差所在的目标象限。预设的象限调整参数规定，如图4所示的鉴相器104根据相位差确定的相位调整参数Theta的方法流程图，当目标象限为第一象限时，相位调整参数Δθ＝Q；当目标象限为第二象限时，相位调整参数Δθ＝2Am-Q；当目标象限为第三象限时，相位调整参数Δθ＝-2Am-Q；当目标象限为第四象限时，相位调整参数Δθ＝Q。其中Am为频率信号Omiga的振幅。

在本实施例中，PI控制器106则根据所述鉴相器104输出的相位调整参数Theta确定输出端输出的频率信号Omiga，并将所述频率信号Omiga输出到所述全通滤波器102的输入端。

PI控制器106是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例(P)和积分(I)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。

为了实现参考信号实时跟踪电网电压信号，需要求出电网电压信息与参考信号之间相位，通过PI控制器106将相位差控制为零就可实现锁相功能。由于相差可能在四个象限变化，如果不进行线性化处理可能导致锁相失效，比如出现电网和参考之间相差180度的情况，相位差的正弦分量仍然是零，但是确有很大的相差，因此需要综合考虑相位差情况，将相位差在四个象限线性化处理，避免了误判。

通过PI控制器106计算得到频率信号Omiga，将所述频率信号Omiga输出到所述全通滤波器102的输入端，形成电压反馈实现单相锁相环，实时跟踪频率变换的正弦信号，算法实现简单，而且不占用资源。经过实验证明，当电网的频率变化为40～70Hz时仍然能实现锁相。

具体的，举例来说，结合图5的MATLAB的仿真结构图。在图5中A是一个输入的电网电压信号U_i；全通滤波器的输入端为电网电压信号U_i和频率信号Omiga，输出端为第一正弦信号Ualfa和第二正弦信号Ubata；鉴相器的输入端为第一正弦信号Ualfa、第二正弦信号Ubata、预设的参考正弦信号sin和参考余弦信号cos fcn，根据电网电压信号U_i和预设参考信号的相位差的正弦分量Q和余弦分量D确定相位调整参数Theta，输出端为正弦分量Q、余弦分量D和相位调整参数Theta；PI控制器经过一系列的比例、积分、加减运算确定频率信号Omiga，将频率信号Omiga输出到全通滤波器的输入端。由图6所示的锁相环仿真波形，可以看出锁相环的参考正弦波完全跟踪了电力电网正弦波。

为解决上述传统技术中传统技术中电网频率变化时实现单相锁相环的过程复杂且锁相效果差技术问题，在一个实施例中，特提出了一种基于全通滤波器的单相锁相环的锁相方法。

如图7所示为上述一种基于全通滤波器的单相锁相环的锁相方法，包括：

步骤S102：全通滤波器接收输入的电网电压信号U_i和频率信号Omiga，根据所述电网电压信号U_i和所述频率信号Omiga确定输出端输出的第一正弦信号Ualfa和第二正弦信号Ubata，所述第一正弦信号Ualfa与所述电网电压信号U_i同频同相，所述第二正弦信号Ubata的相位滞后所述电网电压信号U_i90度。

步骤S104：鉴相器根据所述全通滤波器输出的第一正弦信号Ualfa、第二正弦信号Ubata和预设的参考信号确定所述电网电压信号U_i与所述参考信号的相位差，根据所述相位差确定输出端输出的相位调整参数Theta。

步骤S106：PI控制器根据所述鉴相器输出的相位调整参数Theta确定输出端输出的频率信号Omiga，并将所述频率信号Omiga输出到所述全通滤波器的输入端。

在其中一个实施例中，所述鉴相器根据所述全通滤波器输出的第一正弦信号Ualfa、第二正弦信号Ubata和预设的参考信号确定所述电网电压信号U_i与所述参考信号的相位差和相位调整参数Theta还包括：

所述鉴相器根据所述电网电压信号U_i与所述参考信号的相位差获取所述相位差的正弦分量和余弦分量，根据所述正弦分量和余弦分量确定所述相位差所在的目标象限，根据所述目标象限和预设的象限调整参数确定所述相位调整参数Theta。

在其中一个实施例中，所述全通滤波器根据所述电网电压信号U_i和所述频率信号Omiga确定输出端输出的第一正弦信号Ualfa和第二正弦信号Ubata还包括：

所述全通滤波器根据公式：

Ualfa＝U_i

Ubata＝-a*Ubata₁+a*U_i+Omiga

其中，a＝(Omiga*T-2)÷(Omiga*T+2)

计算所述第一正弦信号Ualfa和第二正弦信号Ubata，其中Ubata₁为前一次输出的第二正弦信号Ubata，T为所述电网电压信号U_i的周期。

在其中一个实施例中，所述电网电压信号U_i的频率范围为40～70Hz。

综上所述，实施本发明实施例，将具有如下有益效果：

本文提出了一种基于全通滤波器的单相锁相环及锁相方法，全通滤波器根据电网电压信号U_i和接收到的所述频率信号Omiga确定第一正弦信号Ualfa和第二正弦信号Ubata；鉴相器根据第一正弦信号Ualfa、第二正弦信号Ubata和预设的参考信号确定电网电压信号U_i与参考信号的相位差，由相位差确定输出端输出的相位调整参数Theta；PI控制器由相位调整参数Theta确定频率信号Omiga，将频率信号Omiga输出到全通滤波器的输入端。从而形成电压反馈实现单相锁相环，可实时跟踪频率变换的正弦信号，算法实现简单，而且不占用资源。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (8)

1.一种基于全通滤波器的单相锁相环，其特征在于，包括：

全通滤波器，用于接收输入的电网电压信号U_i和频率信号Omiga，根据所述电网电压信号U_i和所述频率信号Omiga确定输出端输出的第一正弦信号Ualfa和第二正弦信号Ubata，所述第一正弦信号Ualfa与所述电网电压信号U_i同频同相，所述第二正弦信号Ubata的相位滞后所述电网电压信号U_i90度；

与所述全通滤波器的输出端连接的鉴相器，用于根据所述全通滤波器输出的第一正弦信号Ualfa、第二正弦信号Ubata和预设的参考信号确定所述电网电压信号U_i与所述参考信号的相位差，根据所述相位差确定输出端输出的相位调整参数Theta；

输入端与所述鉴相器的输出端连接，输出端与所述全通滤波器连接的比例积分PI控制器，用于根据所述鉴相器输出的相位调整参数Theta确定输出端输出的频率信号Omiga，并将所述频率信号Omiga输出到所述全通滤波器的输入端。

2.根据权利要求1所述的基于全通滤波器的单相锁相环，其特征在于，所述鉴相器还用于根据所述电网电压信号U_i与所述参考信号的相位差获取所述相位差的正弦分量和余弦分量，根据所述正弦分量和余弦分量确定所述相位差所在的目标象限，根据所述目标象限和预设的象限调整参数确定所述相位调整参数Theta。

3.根据权利要求1所述的基于全通滤波器的单相锁相环，其特征在于，所述全通滤波器还用于根据公式：

Ualfa＝U_i

Ubata＝-a*Ubata₁+a*U_i+Omiga

其中，a＝(Omiga*T-2)÷(Omiga*T+2)

计算所述第一正弦信号Ualfa和第二正弦信号Ubata，其中Ubata₁为前一次输出的第二正弦信号Ubata，T为所述电网电压信号U_i的周期。

4.根据权利要求1所述的基于全通滤波器的单相锁相环，其特征在于，所述电网电压信号U_i的频率范围为40～70Hz。

5.一种基于全通滤波器的单相锁相环的锁相方法，其特征在于，包括：

全通滤波器接收输入的电网电压信号U_i和频率信号Omiga，根据所述电网电压信号U_i和所述频率信号Omiga确定输出端输出的第一正弦信号Ualfa和第二正弦信号Ubata，所述第一正弦信号Ualfa与所述电网电压信号U_i同频同相，所述第二正弦信号Ubata的相位滞后所述电网电压信号U_i90度；

鉴相器根据所述全通滤波器输出的第一正弦信号Ualfa、第二正弦信号Ubata和预设的参考信号确定所述电网电压信号U_i与所述参考信号的相位差，根据所述相位差确定输出端输出的相位调整参数Theta；

PI控制器根据所述鉴相器输出的相位调整参数Theta确定输出端输出的频率信号Omiga，并将所述频率信号Omiga输出到所述全通滤波器的输入端。

6.根据权利要求5所述的基于全通滤波器的单相锁相环的锁相方法，其特征在于，所述鉴相器根据所述相位差确定输出端输出的相位调整参数Theta还包括：

所述鉴相器根据所述电网电压信号U_i与所述参考信号的相位差获取所述相位差的正弦分量和余弦分量，根据所述正弦分量和余弦分量确定所述相位差所在的目标象限，根据所述目标象限和预设的象限调整参数确定所述相位调整参数Theta。

7.根据权利要求5所述的基于全通滤波器的单相锁相环的锁相方法，其特征在于，所述全通滤波器根据所述电网电压信号U_i和所述频率信号Omiga确定输出端输出的第一正弦信号Ualfa和第二正弦信号Ubata还包括：

所述全通滤波器根据公式：

Ualfa＝U_i

Ubata＝-a*Ubata₁+a*U_i+Omiga

其中，a＝(Omiga*T-2)÷(Omiga*T+2)

计算所述第一正弦信号Ualfa和第二正弦信号Ubata，其中Ubata₁为前一次输出的第二正弦信号Ubata，T为所述电网电压信号U_i的周期。

8.根据权利要求5所述的基于全通滤波器的单相锁相环的锁相方法，其特征在于，所述电网电压信号U_i的频率范围为40～70Hz。