CN111896802B - 一种频率自适应的采样方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种频率自适应的采样方法，主要解决现有频率采样方法中系统频率发生变化时导致采样点数量发生变化从而导致频谱泄露，DFT迭代产生误差，影响谐波检测效果的问题。本发明以DSP作为核心控制器，通过预留的PWM通道配置好固定的采样频率，确定采样触发信号，实现固定频率的采样。在每次采样完成后进入中断，通过对采样电流预处理，再进行迭代运算的方式减小同步误差，提升谐波电流的检测精度，完成DFT迭代运算。因此，本发明具有很高的使用价值与推广价值。

Description

一种频率自适应的采样方法

技术领域

本发明涉及频率采样技术领域，具体地说，是涉及一种频率自适应的采样方法。

背景技术

近年来，在开关电源研究领域，数字化、小型化、高频化是三个主要的发展方向。由于数字电源提供了智能化的适应性与灵活性，并且可以将模拟电路中难以实现的各种控制方式应用电源控制中。由此可见数字电源将成为主流发展方向。在数字控制中，控制算法可以通过仿真模型进行验证，但能否有效的应用在实例中的关键点在于能否精确采样，准确的采样可以保证控制算法中用到的控制量信息，因此在硬件电路中存在各种干扰的情况下，解决采样问题是至关重要的。

在有源电力滤波器的设计中，我们需要对负载电流进行采样，通过DFT变换求解出基波分量或指定频率的谐波分量，然后进行针对性的补偿。但在实际应用的电力系统中，系统的频率不可能恒定在50Hz，往往会有比较缓慢的、较小的波动，针对这种频率上的波动，极容易造成采样不同步，产生频谱泄露，在傅里叶变换和迭代中产生误差，影响最终的补偿电流结果，不能实现很好的补偿。

但是，现有方法在系统频率为50Hz的情况下，每个工频周期内的采样点数量是固定的，通过迭代可以准确求解出谐波电流分量。但如果系统频率发生变化，每个工频周期内的采样点数量也发生了变化，这样就会导致频谱泄露，DFT迭代产生误差，影响谐波检测的效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种频率自适应的采样方法，主要解决现有频率采样方法中系统频率发生变化时导致采样点数量发生变化从而导致频谱泄露，DFT迭代产生误差，影响谐波检测效果的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种频率自适应的采样方法，包括如下步骤：

(S1)以DSP作为核心控制器，通过预留的PWM通道配置好固定的采样频率，确定采样触发信号，实现固定频率的采样；

(S2)在每次采样完成后进入中断，进行DFT迭代运算；

(S3)DFT迭代运算初始化，判断当前采样计数值与DFT迭代窗口内采样点数的关系；当当前采样计数值与DFT迭代窗口内采样点数相等时，则周期开始判断完成，将当前采样计数值置0后进入步骤(S4)；如果当前采样计数值与DFT迭代窗口内采样点数不相等则直接进入步骤(S4)；

(S4)获取新的采样值，并将该采样得到的负载电流信号进行采样数据转化；

(S5)利用转化后的采样数据计算谐波，并保存结果；

(S6)一次采样完成后，通过滑动循环指针使采样计数值自加1，然后进入步骤(S3)，进行下一次周期信号开始判断；

其中，在步骤(S4)中，采样数据转化的转化公式为：

其中，s(n)为当前采样信号，x(n)为转化后的信号，迭代的窗口宽度为N。

进一步地，所述转化公式的获取步骤如下：

(a)以Ts为采样周期对一个周期为T的连续信号s(t)进行采样，让信号s(t)经过宽度为HT的窗口，该窗口作为采样需要进行迭代运算的量的窗口，在宽度为N的窗口中得到一个N点的实际采样点的离散时间序列S{n}，其中：

S{n}＝{s(Ts)，s(2Ts)，s(3Ts)......s(NTs)} (2)

H代表所截取的周期数，N表示抽样点的个数，N、H均取整数；

(b)设理想采样周期为T_L,实际采样周期与理想采样周期的差值为Δ，则

T_S-T_L＝Δ (3)

对应地，设理想的采样点序列为x{n}，则

x(n)＝x(nT_L)＝x(nT_S-nΔ) (4)

将式(4)在nTs处按泰勒级数展开，可得：

x(n)≈s(nT_S)-s′(nT_S)nΔ (5)

由导数定义可得：

同时，NT_L也是实际抽样序列的周期，即：

(c)将式(7)代入式(5)可得：

即为式(1)。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过对采样电流进行预处理，在同步采样情况下，当系统频率信号发生变化时，通过对采样点序列进行转化，再进行迭代运算的方式减小同步误差，使之与不处理所产生的误差减小了很多，改进后的采样点序列更加接近理想采样点序列，更能提升谐波而检测系统的采样精度。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图。

图2为本发明-实施例中实施效果对比图。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

实施例

如图1所示，本发明公开的一种频率自适应的采样方法，包括如下步骤：

(S1)以DSP作为核心控制器，通过预留的PWM通道配置好固定的采样频率，确定采样触发信号，实现固定频率的采样；

(S2)在每次采样完成后进入中断，进行DFT迭代运算；

(S3)DFT迭代运算初始化，判断当前采样计数值与DFT迭代窗口内采样点数的关系；当当前采样计数值与DFT迭代窗口内采样点数相等时，则周期开始判断完成，将当前采样计数值置0后进入步骤(S4)；如果当前采样计数值与DFT迭代窗口内采样点数不相等则直接进入步骤(S4)；

(S4)获取新的采样值，并将该采样得到的负载电流信号进行采样数据转化；

(S5)利用转化后的采样数据计算谐波，并保存结果；

(S6)一次采样完成后，通过滑动循环指针使采样计数值自加1，然后进入步骤(S3)，进行下一次周期信号开始判断；

其中，在步骤(S4)中，采样数据转化的转化公式为：

其中，s(n)为当前采样信号，x(n)为转化后的信号，迭代的窗口宽度为N，亦即采样周期中采样点个数为N，将当前采样计数值置为0时，就是一个采样周期结束，也是下一个周期开始。每次进入DFT迭代中断所执行的内容是完成一次采样值处理、数据转换、谐波计算。DSP中的定时器配置固定的中断周期，即以中断的频率刷新谐波计算值。

进一步地，所述转化公式的获取步骤如下：

(a)以Ts为采样周期对一个周期为T的连续信号s(t)进行采样，让信号s(t)经过宽度为HT的窗口，该窗口作为采样需要进行迭代运算的量的窗口，在宽度为N的窗口中得到一个N点的实际采样点的离散时间序列S{n}，其中：

S{n}＝{s(Ts)，s(2Ts)，s(3Ts)......s(NTs)} (2)

H代表所截取的周期数，N表示抽样点的个数，N、H均取整数；

(b)在同步采样情况下，有NTs＝HT，当系统频率信号发生变化时，但是抽样频率没有变化，这是就造成了不同步采样，NTs≠HT，这样的话，按照原来的采样频率，在一个矩形窗内的采样点数就不会是N个，设理想采样周期为T_L，实际的采样周期为T_S，两者的误差设为Δ。

T_S-T_L＝Δ (3)

对应地，设理想的采样点序列为x{n}，则

x(n)＝x(nT_L)＝x(nT_S-nΔ) (4)

将式(4)在nTs处按泰勒级数展开，可得：

x(n)≈s(nT_S)-s′(nT_S)nΔ (5)

由导数定义可得：

同时，NT_L也是实际抽样序列的周期，即：

(c)将式(7)代入式(5)可得：

即为式(1)。

本发明通过对采样点序列进行转化，使之与不处理所产生的误差减小了很多，改进后的采样点序列更加接近理想采样点序列，更能提升谐波而检测系统的采样精度。具体证明过程如下：

设f(t)为频率为w0的周期信号，Xm为该信号的m次谐波分量的幅值，则有：

该信号的理想采样点序列可以表示为：

实际采样点序列可以表示为：

设E1(n)为实际采样点序列与理想采样点序列的误差：

其中，

设E1’(n)表示两者的m次谐波的相对误差：

NT_L远大于HmnΔ，可得：

忽略二阶以上余相，可得：

采样点转化之后有：

误差E2(n)可以表示为：

其中，

转化后的相对误差E2’(n)为：

即：

即：

E2'(n)＝|(1+j2πmnHΔ/T_LN){1-[1-(1-j2πmnHΔ/T_LN)]}-1|

＝|(1+j2πmnHΔ/T_LN)(1-j2πmnHΔ/T_LN)-1|

＝E1'(n)² (21)进而：

在现有的Matlab Simulink仿真平台对本发明进行了验证：

采用滑窗迭代DFT算法进行谐波检测，对增加采样点转换算法前后进行比较。设置负载电流基波频率为50Hz，负载电流信号包含5次、7次谐波，在0.2S系统频率由50Hz变为52Hz。设定采样频率6.4K，每个周期有128个采样点，检测效果如图2所示。通过仿真波形可以看出，在负载信号频率发生变化时，如果没有添加自适应抽样环节，将会检测到错误的结果。加入自适应抽样环节保证了系统采样的精度以及谐波检测的准确性。因此，与现有技术相比，本发明具有突出的实质性特点和显著的进步。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种频率自适应的采样方法，其特征在于，包括如下步骤：

(S1)以DSP作为核心控制器，通过预留的PWM通道配置好固定的采样频率，确定采样触发信号，实现固定频率的采样；

(S2)在每次采样完成后进入中断，进行DFT迭代运算；

(S3)DFT迭代运算初始化，判断当前采样计数值与DFT迭代窗口内采样点数的关系；当当前采样计数值与DFT迭代窗口内采样点数相等时，则周期开始判断完成，将当前采样计数值置0后进入步骤(S4)；如果当前采样计数值与DFT迭代窗口内采样点数不相等则直接进入步骤(S4)；

(S4)获取新的采样值，并将该采样得到的负载电流信号进行采样数据转化；

(S5)利用转化后的采样数据计算谐波，并保存结果；

(S6)一次采样完成后，通过滑动循环指针使采样计数值自加1，然后进入步骤(S3)，进行下一次周期信号开始判断；

其中，在步骤(S4)中，采样数据转化的转化公式为：

其中，s(n)为当前采样信号，x(n)为转化后的信号，迭代的窗口宽度为N。

2.根据权利要求1所述的一种频率自适应的采样方法，其特征在于，所述转化公式的获取步骤如下：

(a)以Ts为采样周期对一个周期为T的连续信号s(t)进行采样，让信号s(t)经过宽度为HT的窗口，该窗口作为采样需要进行迭代运算的量的窗口，在宽度为N的窗口中得到一个N点的实际采样点的离散时间序列S{n}，其中：

S{n}＝{s(Ts)，s(2Ts)，s(3Ts)......s(NTs)} (2)

H代表所截取的周期数，N表示抽样点的个数，N、H均取整数；

(b)设理想采样周期为T_L，实际采样周期与理想采样周期的差值为Δ，则

T_S-T_L＝Δ (3)

对应地，设理想的采样点序列为x{n}，则

x(n)＝x(nT_L)＝x(nT_S-nΔ) (4)

将式(4)在nTs处按泰勒级数展开，可得：

x(n)≈s(nT_S)-s′(nT_S)nΔ (5)

由导数定义可得：

同时，NT_L也是实际抽样序列的周期，即：

(c)将式(7)代入式(5)可得：

即为式(1)。

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