CN110927613A - 一种航空宽变频电源信号有效值同步采样方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航空宽变频电源信号有效值同步采样方法，该方法采用半周期固定采样点数实现同步采样；永磁副励磁机的线电压经过整形成同频率的方波信号，利用两个DSP捕获单元分别计算出信号正半周期和负半周期的时间；采样点的时间间隔根据最近半周期的信号频率进行改变，采用半个周期的采样点进行有效值计算，且每采到一个新的点，便重新计算一次有效值。本发明方法减小了宽变频条件下同步采样延迟带来的不利影响，步骤较少，能够有效应对航空宽变频发电机频率快速变化和航空RAT三级式发电机加卸载时频率变化的情况，大大提高了采样的快速性及准确性，提高了发电系统的动态性能。

Description

一种航空宽变频电源信号有效值同步采样方法

技术领域

本发明涉及一种航空宽变频电源信号有效值同步采样方法，属于航空变频发电系统的数字技术领域。

背景技术

变频电源系统有着结构简单，重量轻，体积小，效率高的优点，已经逐渐替代变速恒频发电系统成为未来大型航空电源系统的发展方向，目前先进的多电飞机波音787与空客A380均为三级式发电机发电的变速变频发电系统。变频交流电源的稳定频率范围为360～800Hz，与恒频交流调压系统以及高低压直流调压系统相比，变频交流信号的采样更加困难。

传统的电力系统50Hz交流电或者飞机供电系统的400Hz交流电采样时，由于频率波动较小，所以可以采取确定采样周期，然后通过准同步采样等后续的算法进行补偿，或者通过选择恰当的初始采样点位置，并进行整周期采样来保证采样的准确性，而航空变速变频电源的宽变频范围为360～800Hz，应急使用的航空RAT三级式电机以及APU辅助动力电机在负载改变时也会发生频率的变化，传统的采样及补偿方法难以取得满意的效果。当面临国军标要求的200Hz/s的快速变频以及上述航空电机加卸载情况时，若采用前一周期确定的周期时间来进行下一周期的整周期采样不仅无法有效的提高采样准确度，还会因为实时性差对系统控制造成不良影响。

可以看出，面临宽变频采样条件，需要一种方法在满足准确性要求的情况下，提高采样的实时性，进而使有效值计算更加准确，适应频率快速变化的情况。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种航空宽变频电源信号有效值同步采样方法，采用半周期采样，并逐点更新有效值，减小了采样的延迟，减小了因为频率快速变化以及变化范围较宽带来的误差，使有效值计算更加准确。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种航空宽变频电源信号有效值同步采样方法，包括如下步骤：

步骤1，将永磁副励磁机输出的线电压信号经过调理整形电路后转变为同频率的方波信号，采用两个DSP捕获单元，一个DSP捕获单元用于计算方波信号的正半周期时长，另一个DSP捕获单元用于计算方波信号的负半周期时长，利用前一个半周期时长确定当前半周期永磁副励磁机的频率f_pmg；

步骤2，根据永磁副励磁机极对数与主发电机极对数之间的关系确定永磁副励磁机的频率与主发电机的输出信号频率之间的关系，进而得到主发电机的输出信号频率f；

步骤3，设置半周期固定采样点数n，根据主发电机的输出信号频率f以及半周期固定采样点数n，确定采样点之间的时间间隔，所述半周期固定采样点数n大于电机输出的交流电中叠加的最高次谐波次数的一半；

步骤4，在当前采样点对交流信号瞬时值进行采样，并通过过零点判断当前采样点与前一个采样点是否处于相同的半周期，若是，则采用当前的时间间隔并进入步骤5，否则，返回步骤1重新计算采样点之间的时间间隔之后进入步骤5；

步骤5，设置一个长度为n的存储数组，存储数组的第n个单元存储的是当前采样点的前一个采样点的采样值，第n-1个单元存储的是当前采样点的前两个采样点的采样值，以此类推，直至第1个单元存储的是当前采样点的前n个采样点的采样值；当获得当前采样点的采样值时，将存储数组第2个单元存储的采样值赋值给第1个单元，第3个单元存储的采样值赋值给第2个单元，以此类推，至第n个单元存储的采样值赋值给第n-1个单元，将当前采样点的采样值存储在第n个单元；

步骤6，对存储数组每个单元存储的采样值进行平方并求和，对求和结果进行开根号，得到交流信号的有效值。

作为本发明的一种优选方案，步骤1所述两个DSP捕获单元均采用检测两个边沿触发的触发方式，其中计算方波信号的正半周期时长的DSP捕获单元先检测上升沿再检测下降沿，计算方波信号的负半周期时长的DSP捕获单元先检测下降沿再检测上升沿。

作为本发明的一种优选方案，步骤1所述当前半周期永磁副励磁机的频率f_pmg，计算公式为：

f_pmg＝1/2t,t＝t_p,t_n

其中，t表示前一个半周期时长，若当前半周期为正半周期，则t＝t_n，若当前半周期为负半周期，则t＝t_p，t_p、t_n分别表示正半周期时长、负半周期时长。

作为本发明的一种优选方案，步骤2所述主发电机的输出信号频率f通过以下公式得到：

f/f_pmg＝p₂/p₁

其中，f_pmg表示永磁副励磁机的频率，p₂表示主发电机极对数，p₁表示永磁副励磁机极对数。

作为本发明的一种优选方案，步骤3所述采样点之间的时间间隔，计算公式为：

t′＝1/(2f*n)

其中，t′表示采样点之间的时间间隔，f表示主发电机的输出信号频率，n表示半周期固定采样点数。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明提出的一种航空宽变频电源信号有效值同步采样方法，采用半周期的采样点数计算有效值，且获得一个新的采样点便计算一次有效值，减小了宽变频条件下同步采样延迟带来的不利影响，步骤较少。

2、本发明能够应对航空宽变频发电机频率快速变化和航空RAT三级式发电机加卸载时频率变化的情况，大大提高了采样的快速性及准确性，提高了发电系统的动态性能。

附图说明

图1是航空变频交流采样系统的结构框图。

图2是本发明采样方法的有效值采样计算流程。

图3是本发明采样方法在不同频率下时，不同初始采样位置下的误差情况。

图4是在360～800Hz范围内，200Hz/s快速变频情况下本发明采样方法与传统采样方法实际有效值对比图，其中，(a)为传统的整周期采样的采样方式，(b)为本发明提出的采样方式。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1所示，为航空变频交流采样系统的结构框图。常用航空变频交流系统硬件电路主要由永磁励磁机信号处理电路、采样预处理电路、数字信号处理器组成其软件主要由采样及校正部分、永磁励磁机频率捕获计算部分、三相电压电流有效值计算部分组成。

如图2所示，本发明采样方法一次采样中断的有效值计算流程，具体步骤如下：

步骤1)，根据采样原理，当采样点数大于最高次谐波的次数时，采样计算得到的波形信息与实际交流信号的波形完全一致，航空电源系统中，占比较高的纹波多为5,7次谐波，所以半周期采样点数只要大于纹波次数的一半理论上误差为零。考虑实际情况，在处理器运算速度满足的情况下选择较多的采样点数并固定，假设半周期采样点数确定为n。

步骤2)，将永磁副励磁机输出的线电压信号经过调理整形电路后变为同频率的方波信号，采用两路DSP的捕获单元，设置触发方式为检测两个边沿触发，并通过程序设计使得一个捕获单元用来捕获计算周期信号的正半周期t_p，另一个捕获单元用来捕获计算负半周期t_n，利用计算得到的半周期时间确定永磁副励磁机的输出电压信号频率f_pmg：

f_pmg＝1/2t,t＝t_p,t_n (1)

步骤3)，根据永磁副励磁机与主发电机的极对数关系确定主发电机与永磁副励磁机的频率关系，进而确定主发电机输出电信号的频率；若永磁副励磁机的极对数p₁与主发电机极对数p₂，由于两者同轴旋转，转速相同，所以频率关系为：

f/f_pmg＝p₂/p₁ (2)

以此来获得主发电机的输出信号频率f。

步骤4)，根据主发电机输出信号频率f以及半周期固定采样点数n确定采样点之间的时间间隔t′：

t′＝1/(2f*n) (3)

步骤5)，设置一个存储数组单元数为n，将最近半周期采样的采样值的平方按采样先后顺序存到数组中，获得新的采样点后2～n的存储值依次向前赋值，新采样点存储在位置n；并且通过过零点判断新的采样点与前一个采样点是否处于相同的半周期，如果是，则正常进行步骤6，采样时间间隔不变；否则，在进行步骤6的同时，重回步骤1，重新计算采样点之间的时间间隔。

步骤6)，将步骤5)数组中的n个瞬时值的平方值再开根号，得到交流信号的有效值。

图3为不同初始采样位置α下的有效值大小，横坐标表示初始采样位置角α，纵坐标为理论采样有效值，对应波形分别为400Hz，550Hz，700Hz，850Hz时对应的理论有效值；图4为在硬件实验平台测试得到的两种采样方式的有效值，频率变化范围为360～800Hz，频率变化速度200Hz/s，横坐标为在DSP的寄存器中读到的采样计算后得到的有效值的个数，纵坐标为计算得到的而有效值，图4的(a)为传统的整周期采样的采样方式，图4的(b)为本发明提出的采样方式。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种航空宽变频电源信号有效值同步采样方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，将永磁副励磁机输出的线电压信号经过调理整形电路后转变为同频率的方波信号，采用两个DSP捕获单元，一个DSP捕获单元用于计算方波信号的正半周期时长，另一个DSP捕获单元用于计算方波信号的负半周期时长，利用前一个半周期时长确定当前半周期永磁副励磁机的频率f_pmg；

步骤2，根据永磁副励磁机极对数与主发电机极对数之间的关系确定永磁副励磁机的频率与主发电机的输出信号频率之间的关系，进而得到主发电机的输出信号频率f；

步骤3，设置半周期固定采样点数n，根据主发电机的输出信号频率f以及半周期固定采样点数n，确定采样点之间的时间间隔，所述半周期固定采样点数n大于电机输出的交流电中叠加的最高次谐波次数的一半；

步骤4，在当前采样点对交流信号瞬时值进行采样，并通过过零点判断当前采样点与前一个采样点是否处于相同的半周期，若是，则采用当前的时间间隔并进入步骤5，否则，返回步骤1重新计算采样点之间的时间间隔之后进入步骤5；

步骤5，设置一个长度为n的存储数组，存储数组的第n个单元存储的是当前采样点的前一个采样点的采样值，第n-1个单元存储的是当前采样点的前两个采样点的采样值，以此类推，直至第1个单元存储的是当前采样点的前n个采样点的采样值；当获得当前采样点的采样值时，将存储数组第2个单元存储的采样值赋值给第1个单元，第3个单元存储的采样值赋值给第2个单元，以此类推，至第n个单元存储的采样值赋值给第n-1个单元，将当前采样点的采样值存储在第n个单元；

步骤6，对存储数组每个单元存储的采样值进行平方并求和，对求和结果进行开根号，得到交流信号的有效值。

2.根据权利要求1所述航空宽变频电源信号有效值同步采样方法，其特征在于，步骤1所述两个DSP捕获单元均采用检测两个边沿触发的触发方式，其中计算方波信号的正半周期时长的DSP捕获单元先检测上升沿再检测下降沿，计算方波信号的负半周期时长的DSP捕获单元先检测下降沿再检测上升沿。

3.根据权利要求1所述航空宽变频电源信号有效值同步采样方法，其特征在于，步骤1所述当前半周期永磁副励磁机的频率f_pmg，计算公式为：

f_pmg＝1/2t,t＝t_p,t_n

其中，t表示前一个半周期时长，若当前半周期为正半周期，则t＝t_n，若当前半周期为负半周期，则t＝t_p，t_p、t_n分别表示正半周期时长、负半周期时长。

4.根据权利要求1所述航空宽变频电源信号有效值同步采样方法，其特征在于，步骤2所述主发电机的输出信号频率f通过以下公式得到：

f/f_pmg＝p₂/p₁

其中，f_pmg表示永磁副励磁机的频率，p₂表示主发电机极对数，p₁表示永磁副励磁机极对数。

5.根据权利要求1所述航空宽变频电源信号有效值同步采样方法，其特征在于，步骤3所述采样点之间的时间间隔，计算公式为：

t′＝1/(2f*n)

其中，t′表示采样点之间的时间间隔，f表示主发电机的输出信号频率，n表示半周期固定采样点数。

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