CN111781415B - 一种适用于dsp控制器的交流电压有效值实时计算方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于交流电压有效值计算技术领域，特别涉及一种适用于DSP控制器的交流电压有效值实时计算方法，所述方法包括：步骤S1、获取DSP控制器三相交流电压中某相的电压值；步骤S2、构建有效值计算模型，将所述DSP控制器三相交流电压中某相的电压值输入到所述有效值计算模型中，计算得到第一交流电压有效值；步骤S3、构建低通数字滤波模型，将所述第一交流电压有效值输入到所述低通数字滤波模型中，计算得到第二交流电压有效值。本申请根据均方根递推公式计算出交流电压有效值的粗略值，再对其进行二阶级联巴特沃斯数字低通滤波后输出交流电压有效值的准确值，该方法在极大程度减小DSP存储空间站用的情况下且保证了计算的高准确性以及快速性。

Description

一种适用于DSP控制器的交流电压有效值实时计算方法

技术领域

本申请属于交流电压有效值计算技术领域，特别涉及一种适用于DSP控制器的交流电压有效值实时计算方法。

背景技术

DSP控制器由于其体积小、精度高、成本低、功耗小、数据及程序存储量大等特点，广泛应用于航空电源控制器中。在航空电源控制器软件算法中常常将交流电压的有效值作为重要的参数指标之一，实现控制、转换或保护等功能。例如，汇流条功率控制器中，汇流条的三相交流电压有效值是判断接触器动作是否正确的重要条件之一，直接影响了机上电源的供电模式转换。因此如何实现交流有效值实时计算是航空电源控制器研发过程中的一项技术难点和要点。

目前，交流电压有效值的计算方大体分为两种：硬件计算方法和软件计算方法。硬件计算方法主要是通过有效值计算芯片进行计算，例如AD637、AD8436等，这种方法受限于已经具备的硬件资源。软件计算方法多对交流电压的整个周期电压值进行采样后求其均方根值，此种方法为了达到计算的准确性要保证尽可能多的采样次数，存储数据量大，占据存储空间，且需要一个周期的时间才能完全跟随电压响应，计算实时性差。

发明内容

为了解决上述技术问题，本申请提供了一种适用于DSP控制器的交流电压有效值实时计算方法，解决交流电压有效值实时计算过程中出现的实时性差的问题。

本申请提供的适用于DSP控制器的交流电压有效值实时计算方法，所述方法包括：

步骤S1、获取DSP控制器三相交流电压中某相的电压值；

步骤S2、构建有效值计算模型，将所述DSP控制器三相交流电压中某相的电压值输入到所述有效值计算模型中，计算得到第一交流电压有效值；

步骤S3、构建低通数字滤波模型，将所述第一交流电压有效值输入到所述低通数字滤波模型中，计算得到第二交流电压有效值。

优选的是，步骤S2中，所述构建有效值计算模型包括：

将第一次采样得到的单相交流电压表示为x(1)，第一次计算得到的交流电压有效值表示为y(1)，则第n次采样得到的单相交流电压表示为x(n)，第n次计算得到的交流电压有效值表示为y(n)；

根据均方根的定义可得：

y(1)²＝x(1)²

由以上四个公式递推得到：

对上式差分方程两边同时进行Z变换，可得：

由上式可得，有效值计算模型为：

Z为变换算子。

优选的是，步骤S3中，所述低通数字滤波模型为二阶级联巴特沃斯低通滤波模型。

优选的是，步骤S3中，所述构建低通数字滤波模型包括：

二阶级联巴特沃斯低通数字滤波器是由两个一阶巴特沃斯低通数字滤波器组成，两个级联一阶巴特沃斯低通数字滤波器的传递函数分别表示为：

根据Z变换可得各系数与截止频率和采样频率间的关系可以表示为：

其中，f_s为截止频率，f_c为采样频率。

本申请提供的适用于DSP控制器的交流电压有效值实时计算方法，根据均方根递推公式计算出交流电压有效值的粗略值，再对其进行二阶级联巴特沃斯数字低通滤波后输出交流电压有效值的准确值。

本申请仅通过交流电压的当前周期采样值、上一周期采样值以及上两个周期的交流电压有效值就能够计算出交流电压有效值的准确值，对交流电压能够实时采样计算，DSP计算执行时间小于5μs且计算误差在0.5％以内，该方法实现了交流电压有效值的实时计算，在极大程度减小DSP存储空间站用的情况下且保证了计算的高准确性以及快速性。

附图说明

图1是本申请适用于DSP控制器的交流电压有效值实时计算方法涉及的有效值计算模型示意图。

图2是本申请适用于DSP控制器的交流电压有效值实时计算方法涉及的低通数字滤波模型示意图。

图3是单相交流电压供电示意图。

图4是有效值计算模型中不同n值的输出波形示意图。

图5是有效值计算结果示意图。

图6是快速响应的有效值计算结果局部图示意图。

图7是计算精度的有效值计算结果局部图示意图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，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方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。

本申请提供了一种适用于DSP控制器的交流电压有效值实时计算方法，解决交流电压有效值实时计算过程中出现的实时性差的问题。

本申请提供的适用于DSP控制器的交流电压有效值实时计算方法，包括：

步骤S1、获取DSP控制器三相交流电压中某相的电压值；

步骤S2、构建有效值计算模型，将DSP控制器三相交流电压中某相的电压值输入到有效值计算模型中，计算得到第一交流电压有效值；

步骤S3、构建低通数字滤波模型，将第一交流电压有效值输入到低通数字滤波模型中，计算得到第二交流电压有效值。

具体的，DSP控制器通过外部或者自带的ADC模块，获得三相交流电压中某相的电压值U。

将第一次采样得到的单相交流电压表示为x(1)，第一次计算得到的交流电压有效值表示为y(1)，则第n次采样得到的单相交流电压表示为x(n)，第n次计算得到的交流电压有效值表示为y(n)；

根据均方根的定义可得：

y(1)²＝x(1)²

由以上四个公式递推得到：

可以看出仅需当前周期电压采样值、上一周期电压采样值以及上两周期的电压有效值即可计算出有效值大小，无需采集多周期电压值而占用大量存储空间。

对上式差分方程两边同时进行Z变换，可得：

由上式可得，有效值计算模型为：

Z为Z域的变换算子，Z变换是对离散序列进行的一种数学变换，可将时域信号(离散时间序列)变换为在复频域的表达式。

上式中系数

即图1中的K₁，系数

即图1中系数K₂，均与n有关且K₁和K₂存在数值关系K₂＝1-2K₁。

n的取值会同时影响计算精度和响应速度两个方面，为了保证在电源控制系统应用中计算的快速响应，有效值计算模型要尽可能的增加计算响应的快速性，并为在有效值计算后增加低通滤波模型来补偿有效值计算模块的精度。

本发明技术方案的适用于DSP控制器的交流电压有效值实时计算方法，由于巴特沃斯低通滤波器在通频带内外均有平稳的幅频特性，频率响应曲线最大限度平坦且没有纹波，且在阻频带逐渐下降为零，选用二阶级联巴特沃斯低通滤波器对有效值计算结果进行滤波处理得到最终电压有效值。

二阶级联巴特沃斯低通数字滤波器是由两个一阶巴特沃斯低通数字滤波器组成，两个级联一阶巴特沃斯低通数字滤波器的传递函数分别表示为：

上式中的系数K₃、K₄、K₅、K₆均与滤波器的截止频率和采样频率有关。数字滤波器的设计一般可由模拟滤波器转换为数字滤波器，即由S域变换到Z域。根据Z变换可得各系数与截止频率和采样频率间的关系可以表示为：

其中，f_s为截止频率，f_c为采样频率。

截止频率的选择会影响系统的响应速度和计算精度，截止频率越低响应速度越慢，计算精度越好，反之亦然。

在本申请的一个实施方式中，设定单相交流电源的电压有效值为115V，频率为400Hz，A/D采样频率为10KHz，供电时间为0.3s至0.5s共0.2s，即200ms，如图3所示。

为了平衡计算的快速性和准确性，对n进行从0到1每隔0.01的遍历。挑选具有代表性的4组数据，n的取值分别为4.65、9.01、46.51、89.93，如图4所示。从图中可以看出，n＝4.65时，系统具有最佳的快速性，但准确度最差；n＝89.93时，系统的计算精度最佳，但对电压变化的响应最慢，综合快速性与计算精度，选择n＝9.09即K₁＝0.11。有效值计算模型的传递函数为：

根据第一部分有效值计算的效果，综合滤波精度和响应速度将第二部分低通数字滤波部分的系数分别设定为80Hz和100Hz，则：

即低通数字滤波模型的传递函数分别为：

根据上述传递函数计算最终的有效值结果如图5所示，选取中间一段数据局部放大如图6和图7所示，可以看出本方法有效值计算结果降至20V仅需13.4ms，计算精度在0.5％以内。

与现有交流电压有效值计算方法相比，本发明方案首先根据均方根递推公式计算出交流电压有效值的粗略值，再对其进行二阶级联巴特沃斯数字低通滤波后输出交流电压有效值的准确值。本发明的计算方法仅通过交流电压的当前周期采样值、上一周期采样值以及上两个周期的交流电压有效值就能够计算出交流电压有效值的准确值，对交流电压能够实时采样计算，DSP计算执行时间小于5μs且计算误差在0.5％以内。该方法实现了交流电压有效值的实时计算，在极大程度减小DSP存储空间站用的情况下且保证了计算的高准确性以及快速性。

Claims (3)

1.一种适用于DSP控制器的交流电压有效值实时计算方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤S1、获取DSP控制器三相交流电压中某相的电压值；

步骤S2、构建有效值计算模型，将所述DSP控制器三相交流电压中某相的电压值输入到所述有效值计算模型中，计算得到第一交流电压有效值；

步骤S3、构建低通数字滤波模型，将所述第一交流电压有效值输入到所述低通数字滤波模型中，计算得到第二交流电压有效值；

步骤S2中，所述构建有效值计算模型包括：

将第一次采样得到的单相交流电压表示为x(1)，第一次计算得到的交流电压有效值表示为y(1)，则第n次采样得到的单相交流电压表示为x(n)，第n次计算得到的交流电压有效值表示为y(n)；

根据均方根的定义可得：

y(1)²＝x(1)²

由均方根的定义公式递推得到：

对上式差分方程两边同时进行Z变换，可得：

由上式可得，有效值计算模型为：

Z为变换算子。

2.如权利要求1所述的适用于DSP控制器的交流电压有效值实时计算方法，其特征在于，步骤S3中，所述低通数字滤波模型为二阶级联巴特沃斯低通滤波模型。

3.如权利要求2所述的适用于DSP控制器的交流电压有效值实时计算方法，其特征在于，步骤S3中，所述构建低通数字滤波模型包括：

二阶级联巴特沃斯低通数字滤波器是由两个一阶巴特沃斯低通数字滤波器组成，两个级联一阶巴特沃斯低通数字滤波器的传递函数分别表示为：

根据Z变换可得各系数与截止频率和采样频率间的关系表示为：

其中，K₃、K₄、K₅、K₆分别为传递函数中对应的系数，f_s为截止频率，f_c为采样频率。

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