CN111371452B - 一种基于ecap的单相快速软件锁相方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于ECAP的单相快速软件锁相方法，包括以下步骤：S1，将交流电压信号通过模数转换输出数字信号；同时交流电压信号通过过零检测产生方波信号；S2，所述数字信号进行软件锁相运算，输出相位信号；方波信号的上升沿和下降沿触发ECAP中断，得到交流电压信号在ECAP捕获相角为0°或180°时的相位信号；S3，比较所述相位信号和ECAP捕获相角的差值；当所述差值在允许的误差范围内，则直接进入软件锁相；否则，利用ECAP捕获相角，先对所述相位信号进行粗调，再进入软件锁相。本方法利用处理器的ECAP模块和软件锁相的有益组合，进行电网电压相位和频率的快速锁定，在一个电源周期内就可以快速锁定电网电压相位和频率，具有良好的动态性能和跟踪精度。

Description

一种基于ECAP的单相快速软件锁相方法
技术领域
本发明涉及电网电压相位和频率的快速追踪技术领域，尤其涉及一种基于ECAP的单相快速软件锁相方法。
背景技术
随着新能源大规模发展以及电力系统不断的扩展，分布式电源在电力系统中的应用越来越广泛，致使电网的稳定性得不到保障，诸如谐波、次同步振荡等问题，都会严重影响电网的稳定、安全运行。因此，为保障电能质量的高效传输，对并网锁相技术提出了更严格的要求。锁相技术PLL(phase-locked loop)可以对电网电压的相位和频率进行锁定，从而实现电网电压和电流的同相位运行，目前锁相环技术有很多种。
专利CN 106873476 B公开了一种使用ECAP(增强型脉冲捕捉模块)中断实现电压频率和相位跟踪的方法，具体包括：将输入电压由正弦波转化为方波；将方波信号输入到处理器的ECAP捕捉引脚，通过ECAP中断来计算方波信号的周期值zc；同时记录中断发生时刻逆变器输出电压的相位值；将输入方波信号的下降沿定义为输入电压信号的零相位，根据周期值和相位差值进行频率相位调整，使得输出电压的频率相位跟踪输入电压的频率相位。但该方法在交流输入电压过零点畸变时，无法得到正确相位、频率，且容易被干扰，不适合对锁相精度要求比较高的场合。利用软件锁相，可以有效避免交流输入电压过零点畸变时造成的干扰；但算法计算量大，用时长，需要经过若干电源周期才能完成锁相。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供一种基于ECAP的单相快速软件锁相方法，能在保证锁相精度的同时，提高相位和频率的追踪速度，适用于对锁相精度、速度要求比较高的场合。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
一种基于ECAP的单相快速软件锁相方法，包括以下步骤：
S1，将交流电压信号通过模数转换输出数字信号；同时交流电压信号通过过零检测产生方波信号；
S2，所述数字信号进行软件锁相运算，输出软件锁相的相位信号；所述方波信号输入到处理器的具有ECAP捕捉功能的引脚，通过捕捉所述方波信号的上升沿和下降沿，得到所述交流电压信号在ECAP捕获相角为0°或180°时的相位信号；
S3，在所述方波信号的上升沿或下降沿，比较所述相位信号和ECAP捕获相角的差值；当所述差值在允许的误差范围内，则直接进入软件锁相；否则，利用ECAP捕获相角，先对软件锁相输出的相角进行粗调，再进入软件锁相。
进一步的，所述S2中的软件锁相运算包括：
相位检测：交流电压信号经模数转换后与压控振荡器VCO反馈的余弦电压信号cosθr相乘，得到相位检测输出信号；
滤波输出：所述相位检测输出信号经过陷波滤波器、环路滤波器和压控振荡器VCO后输出相位信号，所述相位信号包括弧度角θr和余弦电压信号cosθr。
进一步的，所述S3具体为：
当方波信号的上升沿触发ECAP中断时，ECAP捕获相角为180°，比较软件锁相输出的弧度角θr和180°的差的绝对值；若弧度角θr和180°的差的绝对值在允许误差Δθ的范围内，则直接进入软件锁相；否则，对弧度角θr粗调，将180°直接赋值给弧度角θr，再进入软件锁相；
当方波信号的下降沿触发ECAP中断时，ECAP捕获相角为0°，比较软件锁相输出的弧度角θr和0°的差的绝对值；若弧度角θr和0°的差的绝对值在允许误差Δθ的范围内，则直接进入软件锁相；否则，对弧度角θr粗调，将0°直接赋值给弧度角θr，再进入软件锁相。
本发明的有益效果为：
本发明的基于ECAP的单相快速软件锁相方法，利用处理器的ECAP模块和软件锁相的有益组合，进行电网电压相位和频率的快速锁定，在一个电源周期内就可以快速锁定电网电压相位和频率，具有良好的动态性能和跟踪精度。
附图说明
图1为本发明的结合ECAP的电网电压锁相流程图；
图2为本发明的ECAP捕获相角与弧度角θr比较的具体流程图；
图3为ECAP下降沿触发的实验波形图；
图4为ECAP上升沿触发的实验波形图。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1和图2所示，本发明公开了一种基于ECAP(增强型脉冲捕捉模块)的单相快速软件锁相方法，具体包括如下步骤：
(1)软件锁相计算：电网电压的模拟采样信号Uin经ADC采样后与压控振荡器VCO反馈的余弦电压信号cosθr在相位检测模块PD内相乘，得到相位检测输出信号，相位检测输出信号经过陷波滤波器(Notch Filter)、环路滤波器LPF和压控振荡器VCO后得到相位信号，压控振荡器VCO输出的相位信号以弧度角θr、正弦电压信号sinθr、余弦电压信号cosθr三种形式表示，其中，余弦电压信号cosθr用于信号反馈。
(2)初始化，将具有ECAP捕捉功能的引脚的相关寄存器做如下功能设置：通过软件编程，将与ECAP功能相关的CAP1Reg寄存器配置为上升沿触发(即当上升沿触发ECAP中断时，ECAP捕获相角为180°)，将与ECAP功能相关的CAP2Reg寄存器配置为下降沿触发(即当上升沿触发ECAP中断时，ECAP捕获相角为0°)，并对其它参数进行初始化。
(3)电网电压的模拟采样信号Uin经过零检测后输出方波信号Uout，方波信号Uout的上升沿或下降沿表示电网电压的相位信号，将方波信号Uout输入到处理器的具有ECAP捕捉功能的引脚；当方波信号的上升沿触发ECAP中断或下降沿触发ECAP中断时，产生中断标志位，此时ECAP捕获的电网电压信号的相角为0°或180°，同时获得此时的压控振荡器VCO输出的弧度角θr。
在方波信号上升沿触发ECAP中断或下降沿触发ECAP中断时，判断压控振荡器VCO输出的弧度角θr与0°或180°的差的绝对值是否在允许的误差范围内，是，则直接进入软件锁相；否，则先对弧度角θr进行粗调，再进入软件锁相。
具体包括如下子步骤：
情况1，当ECAP上升沿触发(此时ECAP捕获相角为180°)后，判断压控振荡器VCO输出的弧度角θr与180°的差的绝对值是否大于允许误差Δθ(Δθ大小可进行适当设置)，若小于Δθ，清除ECAP的中断标志位，并直接进入软件锁相，若大于Δθ，则对弧度角θr进行粗调，将180°赋值给弧度角θr，并对与弧度角θr相关的参数进行修改，清除ECAP的中断标志位，再进入软件锁相。
情况2，ECAP下降沿触发(此时ECAP捕获相角为0°)后，判断压控振荡器VCO输出的弧度角θr与0°的差的绝对值是否大于允许误差Δθ(Δθ大小可进行适当设置)，若小于Δθ，清除ECAP的中断标志位，并直接进入软件锁相，若大于Δθ，则对弧度角θr进行粗调，将0°赋值给弧度角θr，并对与弧度角θr相关的参数进行修改，清除ECAP的中断标志位，再进入软件锁相。
通过判断在上升沿触发或下降沿触发ECAP中断时压控振荡器VCO输出的弧度角θr的大小，决定是否对弧度角θr进行粗调，从而加快锁相速度，使压控振荡器VCO输出的弧度角θr能快速跟踪电网电压的相位。
由图3和图4所示可知，在方波信号的上升沿和下降沿触发ECAP中断时，压控振荡器VCO输出的弧度角θr被强制粗调，由此在一个电源周期内就可以快速的锁定电网电压的模拟采样信号Uin的相位，实现了相位和频率的快速锁定。
上述流程为一次相位和频率锁定的调整，在方波信号Uout的首个上升沿或下降沿触发ECAP中断时，VCO输出的弧度角θr可能被大幅度的强制粗调。该过程是无限循环的执行，在方波信号的上升沿和下降沿触发ECAP中断时，对VCO输出的弧度角θr与0°或180°的差的绝对值都会进行判断是否在允许误差Δθ范围内，从而进行必要调整，即可实现对输入交流电压的实时锁定。
本发明的基于ECAP的单相快速软件锁相方法，利用处理器的ECAP模块和软件锁相模块的有益组合，进行电网电压相位和频率的快速锁定，在一个电源周期内就可以快速锁定电网电压相位和频率，具有良好的动态性能和跟踪精度。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于ECAP的单相快速软件锁相方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，将交流电压信号通过模数转换输出数字信号；同时交流电压信号通过过零检测产生方波信号；
S2，所述数字信号进行软件锁相运算，输出相位信号；方波信号输入到处理器的具有ECAP捕捉功能的引脚，方波信号的上升沿和下降沿触发ECAP中断，得到交流电压信号在ECAP捕获相角为0°或180°时的相位信号；
S3，在方波信号的上升沿或下降沿，比较所述相位信号和ECAP捕获相角的差值；当所述差值在允许的误差范围内，则直接进入软件锁相；否则，利用ECAP捕获相角，先对软件锁相输出的相位信号进行粗调，再进入软件锁相；
所述S2中的软件锁相运算包括：
交流电压信号经模数转换后与压控振荡器VCO反馈的余弦电压信号cosθr相乘，得到相位检测输出信号；
所述相位检测输出信号经过陷波滤波器、环路滤波器和压控振荡器VCO后得到相位信号，压控振荡器VCO输出的相位信号包括弧度角θr和余弦电压信号cosθr；
所述S3具体为：
当方波信号的上升沿触发ECAP中断时，ECAP捕获相角为180°，比较软件锁相输出的弧度角θr和180°的差的绝对值；若弧度角θr和180°的差的绝对值在允许误差Δθ的范围内，则直接进入软件锁相；否则，对弧度角θr粗调，将180°直接赋值给弧度角θr，再进入软件锁相；
当方波信号的下降沿触发ECAP中断时，ECAP捕获相角为0°，比较软件锁相输出的弧度角θr和0°的差的绝对值；若弧度角θr和0°的差的绝对值在允许误差Δθ的范围内，则直接进入软件锁相；否则，对弧度角θr粗调，将0°直接赋值给弧度角θr，再进入软件锁相。
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