CN111384838B - 变频率同步信号实时追踪处理系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于核聚变技术，具体为变频率同步信号实时追踪处理系统及方法，系统包括数据采集单元、信号实时处理单元、上位机，数据采集单元包括降压变压器和数据采集模块，实时信号处理单元包括数字滤波、频率计算、信号矫正模块、比较器、DO输出模块和晶闸管电源控制系统；采集到电压信号进行逐点滤波计算，将滤波计算得到的值与0比较，判断结果对应的数据是否出现0/1或1/0变化，确定电压信号的半周期和相位延迟角度，实时矫正输出波形确保数字量输出板卡的输出数据与相对应的该通道的输入模拟量的相位一致。本方法及系统能够实现变频率同步信号的实时数据采集，自动跟踪输入同步信号的频率变化，自动进行信号滤波和相位矫正，并输出同步信号。

Description

变频率同步信号实时追踪处理系统及方法
技术领域
本发明属于核聚变技术，具体涉及一种应用于晶闸管电源控制的变频率同步信号处理系统及方法。
背景技术
随着核聚变研究的发展，对大功率晶闸管电源的控制精度提出了更高的要求，而同步信号是晶闸管电源控制系统的重要组成部分。在开展核聚变等离子体物理实验中，通过大功率晶闸管电源对线圈供电产生的磁场实现对等离子体位形、位置和电流等参数的实时控制。
晶闸管电源的核心器件是晶闸管，属于半控型器件。晶闸管电源的控制方式主要是相位控制方式，简称相控，其可以控制晶闸管的开通。晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现。与常规晶闸管电源不同，在核聚变领域大多数晶闸管电源由脉冲发电机组供电，其交流输出电压频率将会跟随负载的变化而发生显著改变，同时由于负载的变化发电机组输出电压的品质也将会有严重的畸变。因此，在晶闸管电源控制前，需要首先对同步信号进行实时跟踪处理。同步信号的品质将直接关系到晶闸管电源控制的准确性和可靠性，以及等离子体放电实验的参数。
目前国内对于同步信号的处理主要采用的是锁相环加硬件滤波技术，其主要是针对固定频率或频率变化非常小的同步信号。通过硬件滤波防止干扰，利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位，实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪。此方法的弊端一是只能针对频率几乎不变的同步信号，对于频率快速变化的同步信号则无法实现锁频；二是采用硬件滤波，使得滤波后的信号与原输入信号在相位上有偏差；三是由于滤波器采用固定参数设计，对于变频率信号会导致在不同频率下的同步信号相位的偏差无法精确跟踪。
发明内容
本发明的目的是提供一种变频率同步信号实时追踪处理系统，实现晶闸管电源控制过程中，对频率快速变化且畸变严重的同步信号的实时数据采集、数字滤波、实时追踪和相位矫正，以及同步信号的实时输出。
本发明的技术方案如下：
变频率同步信号实时追踪处理系统，包括数据采集单元、信号实时处理单元和上位机；
所述的数据采集单元包括降压变压器和数据采集模块，其中降压变压器把低电压输出到数据采集模块中，数据采集模块部分对输入信号进行逐点采样；
实时信号处理单元包括数字滤波模块、频率计算模块、信号矫正模块、比较器、DO输出模块和晶闸管电源控制系统；
所述的数字滤波模块对数据采集模块实时获取的电压信号完成逐点滤波计算并输出滤波后的数据给信号矫正；
频率计算模块实时计算数据采集的数据并实时输出当前输入信号的频率给信号矫正模块；
信号矫正模块通过接收数字滤波模块和频率计算模块的数据实时计算并对滤波后的数据进行矫正，获得与输入电压相同相位的电压信号；
比较器通过对信号矫正模块输出信号进行过零比较，输出方波信号，并通过DO输出模块把方波信号送给晶闸管电源控制系统8；
上位机实现系统开机后对同步信号参数的初始化、同步信号的实时频率显示、同步输入信号和处理后信号的对比显示，同时对DO输出模块输出信号进行实时设置。
所述的降压变压器接入脉冲发电机组输出的交流输出电压。
所述的数据采集模块利用6个采集通道分别采集降压变压器二次绕组的个相电压信号。
所述的数字滤波模块针对采集到的电压信号，利用数字式巴特沃斯滤波器进行滤波计算得到滤波值。
所述的比较器对信号矫正模块输出信号进行过零比较，大于零则结果为1，小于零结果为零，结构即为输出的方波信号。
一种变频率同步信号实时追踪处理方法，包括如下步骤：
步骤1、各模块初始化；
步骤2、设置数据采集模块采样频率，开始采样；
利用6个采集通道分别采集降压变压器二次绕组的6个相电压信号；
步骤3、采集到的电压信号进行逐点滤波计算；
步骤4、将滤波计算得到的值与0比较，大于零则结果为1，小于零结果为零。
6个电压信号通过上述方法得到对应的六组结果。
步骤5、分别判断每个组采集结果对应的数据是否出现0/1或1/0变化，如果是0/1变化则为上升沿，如果为1/0变化则为下降沿。
如果出现边沿变化则边沿判断值加1，如果边沿判断值等于2时，则转入步骤6同时置边沿判断值为1；如果边沿判断值不等于2则继续步骤5执行。
6个通道的处理过程完全相同，采用并行结构处理，一个通道的判断执行不会影响其他通道数据的判断和执行。
步骤6、计算边沿判断值为2的通道的两个边沿的时间差值T1，作为输入相电压信号的半周期；
步骤7、根据步骤3的滤波值和步骤6的输入信号的半周期值，计算出输入信号的相频特性，得到相位延迟角度值α；
步骤8、判断相位延迟角度值的有效性；
判断依据为：相位延迟角度小于90°为有效。如果相位延时角度值为无效则转入步骤5，如果有效则进入步骤9；
步骤9、实时矫正输出波形确保数字量输出板卡的输出数据与相对应的该通道的输入模拟量的相位一致；
首先使用180减去相位延迟角度值α，然后将计算结果转化为定时时间T2；
Figure GDA0004075956910000041
当定时器时间递减为零时，数字量输出板卡输出0或者1；
当步骤5的边沿判断为上升沿时，数字量输出板卡输出0，当步骤5的边沿判断为下降沿时，数字量输出板卡输出1。
数字量输出板卡的输出信号即为，与比较器通过对信号矫正模块输出信号进行过零比较输出的方波信号，用于晶闸管相控控制。
所述的步骤2)中以5微秒为周期进行6个同步信号的逐点采集。
所述的步骤3)中采集到的电压信号通过数字式巴特沃斯滤波器完成输入信号的逐点滤波计算。
本发明的显著效果如下：本方法及系统能够实现变频率同步信号的实时数据采集，自动跟踪输入同步信号的频率变化，自动进行信号滤波和相位矫正，并输出同步信号。此系统集参数设置、输入信号实时测量、实时信号处理、同步信号输出、显示和记录为一体。大大提高了变频率同步信号的精度和可靠性，避免了由于同步信号频率快速变化和输入信号畸变而导致的晶闸管电源控制精度和可靠性的下降。
附图说明
图1为变频率同步信号实时追踪处理系统示意图；
图2为变频率同步信号实时追踪处理方法流程图；
图中：1.降压变压器；2.数据采集模块；3.数字滤波模块；4.频率计算模块；5.信号矫正模块；6.比较器；7.DO输出模块；8.晶闸管电源控制系统；9.上位机。
具体实施方式
下面通过附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。
包括数据采集单元、信号实时处理单元、上位机9，其中数据采集单元包括降压变压器1、数据采集模块2，其中降压变压器1接入脉冲发电机组输出的交流输出电压，进行降压后把低电压输出到数据采集模块2中，数据采集模块2部分对输入信号进行逐点采样以保证数据处理的实时性。
实时信号处理单元包括数字滤波模块3、频率计算模块4、信号矫正模块5、比较器6、DO输出7和晶闸管电源控制系统8。其中数字滤波模块3根据数据采集模块2实时获取的电压信号通过数字式巴特沃斯滤波器完成输入信号的逐点滤波计算，并输出滤波后的数据给信号矫正模块5；频率计算模块4实时计算数据采集模块2的数据并实时输出当前输入信号的频率给信号矫正模块5；信号矫正模块5通过接收数字滤波模块3和频率计算模块4的数据实时计算并对滤波后的数据进行矫正，最终获得与输入电压相同相位的电压信号；比较器6通过对信号矫正模块5输出信号进行过零比较输出方波信号并通过DO输出模块7把方波信号送给晶闸管电源控制系统8，作为晶闸管电源相控模式的重要依据。
上位机9实现系统开机后对同步信号参数的初始化，同步信号的实时频率显示、同步输入信号和处理后信号的对比显示、对DO输出7输出信号的实时设置、测试模式和实验模式的切换、数据保存等。
步骤1、各模块初始化；
步骤2、设置数据采集模块2采样频率，开始采样；
利用6个采集通道分别采集降压变压器二次绕组的6个相电压信号；
为确保同步性这6个同步信号同步采集，以5微秒为周期进行6个同步信号的逐点采集；
步骤3、采集到的电压信号通过数字式巴特沃斯滤波器完成输入信号的逐点滤波计算；
步骤4、将滤波计算得到的值与0比较，大于零则结果为1，小于零结果为零。
6个电压信号通过上述方法得到对应的六组结果。
步骤5、分别判断每个组采集结果对应的数据是否出现0/1或1/0变化，如果是0/1变化则为上升沿，如果为1/0变化则为下降沿。
如果出现边沿变化则边沿判断值加1，如果边沿判断值等于2时，则转入步骤6同时置边沿判断值为1；如果边沿判断值不等于2则继续步骤5执行。
6个通道的处理过程完全相同，采用并行结构处理，一个通道的判断执行不会影响其他通道数据的判断和执行。
步骤6、计算边沿判断值为2的通道的两个边沿的时间差值T1，作为输入相电压信号的半周期；
步骤7、根据步骤3的滤波值和步骤6的输入信号的半周期值，计算出输入信号的相频特性，得到相位延迟角度值α；
步骤8、判断相位延迟角度值的有效性；
判断依据为：相位延迟角度小于90°为有效。如果相位延时角度值为无效则转入步骤5，如果有效则进入步骤9；
步骤9、实时矫正输出波形确保数字量输出板卡的输出数据与相对应的该通道的输入模拟量的相位一致；
首先使用180减去相位延迟角度值α，然后将计算结果转化为定时时间T2；
Figure GDA0004075956910000071
当定时器时间递减为零时，数字量输出板卡输出0或者1；
当步骤5的边沿判断为上升沿时，数字量输出板卡输出0，当步骤5的边沿判断为下降沿时，数字量输出板卡输出1。
数字量输出板卡的输出信号即为，与比较器6通过对信号矫正模块5输出信号进行过零比较输出的方波信号，可用于晶闸管相控控制。

Claims (8)

1.变频率同步信号实时追踪处理系统，其特征在于：包括数据采集单元、信号实时处理单元和上位机(9)；
所述的数据采集单元包括降压变压器(1)和数据采集模块(2)，其中降压变压器(1)把低电压输出到数据采集模块(2)中，数据采集模块(2)部分对输入信号进行逐点采样；
实时信号处理单元包括数字滤波模块(3)、频率计算模块(4)、信号矫正模块(5)、比较器(6)、DO输出模块(7)和晶闸管电源控制系统(8)；
所述的数字滤波模块(3)对数据采集模块(2)实时获取的电压信号完成逐点滤波计算并输出滤波后的数据给信号矫正模块(5)；
频率计算模块(4)实时计算数据采集模块(2)的数据并实时输出当前输入信号的频率给信号矫正模块(5)；
信号矫正模块(5)通过接收数字滤波模块(3)和频率计算模块(4)的数据实时计算并对滤波后的数据进行矫正，获得与输入电压相同相位的电压信号；
比较器(6)通过对信号矫正模块(5)输出信号进行过零比较，输出方波信号，并通过DO输出模块(7)把方波信号送给晶闸管电源控制系统(8)；
上位机(9)实现系统开机后对同步信号参数的初始化、同步信号的实时频率显示、同步输入信号和处理后信号的对比显示，同时对DO输出模块(7)输出信号进行实时设置；
按照如下步骤进行变频率同步信号实时追踪处理：
步骤1、各模块初始化；
步骤2、设置数据采集模块(2)采样频率，开始采样；
利用6个采集通道分别采集降压变压器二次绕组的6个相电压信号；
步骤3、采集到的电压信号进行逐点滤波计算；
步骤4、将滤波计算得到的值与0比较，大于零则结果为1，小于零结果为零；
6个电压信号通过上述方法得到对应的六组结果；
步骤5、分别判断每个组采集结果对应的数据是否出现0/1或1/0变化，如果是0/1变化则为上升沿，如果为1/0变化则为下降沿；
如果出现边沿变化则边沿判断值加1，如果边沿判断值等于2时，则转入步骤6同时置边沿判断值为1；如果边沿判断值不等于2则继续步骤5执行；
6个通道的处理过程完全相同，采用并行结构处理，一个通道的判断执行不会影响其他通道数据的判断和执行；
步骤6、计算边沿判断值为2的通道的两个边沿的时间差值T1，作为输入相电压信号的半周期；
步骤7、根据步骤3的滤波值和步骤6的输入信号的半周期值，计算出输入信号的相频特性，得到相位延迟角度值α；
步骤8、判断相位延迟角度值的有效性；
判断依据为：相位延迟角度小于90°为有效；如果相位延时角度值为无效则转入步骤5，如果有效则进入步骤9；
步骤9、实时矫正输出波形确保数字量输出板卡的输出数据与相对应的该通道的输入模拟量的相位一致；
首先使用180减去相位延迟角度值α，然后将计算结果转化为定时时间T2；
Figure FDA0004075956900000021
当定时器时间递减为零时，数字量输出板卡输出0或者1；
当步骤5的边沿判断为上升沿时，数字量输出板卡输出0，当步骤5的边沿判断为下降沿时，数字量输出板卡输出1；
数字量输出板卡的输出信号即为，与比较器(6)通过对信号矫正模块(5)输出信号进行过零比较输出的方波信号，用于晶闸管相控控制。
2.如权利要求1所述的变频率同步信号实时追踪处理系统，其特征在于：所述的降压变压器(1)接入脉冲发电机组输出的交流输出电压。
3.如权利要求1所述的变频率同步信号实时追踪处理系统，其特征在于：所述的数据采集模块(2)利用6个采集通道分别采集降压变压器二次绕组的6个相电压信号。
4.如权利要求1所述的变频率同步信号实时追踪处理系统，其特征在于：所述的数字滤波模块(3)针对采集到的电压信号，利用数字式巴特沃斯滤波器进行滤波计算得到滤波值。
5.如权利要求1所述的变频率同步信号实时追踪处理系统，其特征在于：所述的比较器(6)对信号矫正模块(5)输出信号进行过零比较，大于零则结果为1，小于零结果为零，结果即为输出的方波信号。
6.一种变频率同步信号实时追踪处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、各模块初始化；
步骤2、设置数据采集模块(2)采样频率，开始采样；
利用6个采集通道分别采集降压变压器二次绕组的6个相电压信号；
步骤3、采集到的电压信号进行逐点滤波计算；
步骤4、将滤波计算得到的值与0比较，大于零则结果为1，小于零结果为零；
6个电压信号通过上述方法得到对应的六组结果；
步骤5、分别判断每个组采集结果对应的数据是否出现0/1或1/0变化，如果是0/1变化则为上升沿，如果为1/0变化则为下降沿；
如果出现边沿变化则边沿判断值加1，如果边沿判断值等于2时，则转入步骤6同时置边沿判断值为1；如果边沿判断值不等于2则继续步骤5执行；
6个通道的处理过程完全相同，采用并行结构处理，一个通道的判断执行不会影响其他通道数据的判断和执行；
步骤6、计算边沿判断值为2的通道的两个边沿的时间差值T1，作为输入相电压信号的半周期；
步骤7、根据步骤3的滤波值和步骤6的输入信号的半周期值，计算出输入信号的相频特性，得到相位延迟角度值α；
步骤8、判断相位延迟角度值的有效性；
判断依据为：相位延迟角度小于90°为有效；如果相位延时角度值为无效则转入步骤5，如果有效则进入步骤9；
步骤9、实时矫正输出波形确保数字量输出板卡的输出数据与相对应的该通道的输入模拟量的相位一致；
首先使用180减去相位延迟角度值α，然后将计算结果转化为定时时间T2；
Figure FDA0004075956900000041
当定时器时间递减为零时，数字量输出板卡输出0或者1；
当步骤5的边沿判断为上升沿时，数字量输出板卡输出0，当步骤5的边沿判断为下降沿时，数字量输出板卡输出1；
数字量输出板卡的输出信号即为，与比较器(6)通过对信号矫正模块(5)输出信号进行过零比较输出的方波信号，用于晶闸管相控控制。
7.如权利要求6所述的一种变频率同步信号实时追踪处理方法，其特征在于：所述的步骤2中以5微秒为周期进行6个同步信号的逐点采集。
8.如权利要求6所述的一种变频率同步信号实时追踪处理方法，其特征在于：所述的步骤3中采集到的电压信号通过数字式巴特沃斯滤波器完成输入信号的逐点滤波计算。
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