CN113746310B - 消除交流电源输出周期对称波形中直流分量的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了消除交流电源输出周期对称波形中直流分量的装置及方法，该装置包括信号发生单元、DC控制单元、DC采样电路、环路控制单元和功率单元，所述信号发生单元用于发出交流电源的过零点和周期信息，所述DC控制单元根据交流电源的过零点和周期信息，产生对应的控制信号控制DC采样电路采样实际输出信号，获取整周期的直流分量，并将直流分量送入环路控制单元；所述环路控制单元用于修正控制量，逐渐去除波形中的直流分量，通过功率单元输出，形成一个慢速的闭环控制，最终将输出波形的直流分量消除稳定在一个很小的数量级上，提高了交流电源的输出精度和准确度，避免了交流信号中混有的直流成分带来的严重后果。

Description

消除交流电源输出周期对称波形中直流分量的装置及方法

技术领域

本发明属于交流电源技术领域，特别是涉及消除交流电源输出周期对称波形中的直流分量的装置及方法。

背景技术

日常情况中，交流电源输出周期性对称波形时，由于硬件电路，控制环路的计算精度和数据的量化误差等影响下，常常输出的波形中正波形和负波形不对称，导致产生了直流分量，且这种直流偏置噪声不是一个固定值，会随着频率和环境等因素改变，影响交流电源的输出精度和准确度。同时在一些实际的交流源应用中，交流信号中混有的直流成分会带来的后果较为严重，所以我们希望寻求一种自适应强，高效快速的方法，消除交流源输出周期对称波形中的直流分量。

发明内容

针对以上现有问题，本发明提出的消除交流电源输出周期对称波形中的直流分量的装置及方法，消除了交流源输出周期对称波形中的直流分量，提高了交流电源的输出精度和准确度。

为达成上述功能，本发明公开的消除交流电源输出周期对称波形中的直流分量的装置所采用的技术方案如下：

消除交流电源输出周期对称波形中直流分量的装置，包括：信号发生单元、DC控制单元、DC采样电路、环路控制单元和功率单元，

所述信号发生单元用于发出交流电源的过零点和周期信息，所述信号发生单元分别与DC控制单元和环路控制单元相连接；

所述DC控制单元根据交流电源的过零点和周期信息，产生对应的控制信号控制DC采样电路采样实际输出信号，获取整周期的直流分量，并将直流分量送入环路控制单元；

所述环路控制单元用于修正控制量，逐渐去除波形中的直流分量，通过功率单元输出信号发生单元输出的目标设定值波形，形成一个慢速的闭环控制，最终将输出波形的直流分量消除或者稳定在阈值范围内。

进一步地，所述DC采样电路由一个积分单元和ADC采样电路组成，所述积分单元由运算放大器、电容、开关和电阻组成。

进一步地，为了保护电路不损坏，在没有直流分量的情况下，积分单元获取的最大峰值的计算公式如下：

，

其中，Vmax:电源设备能输出的最大瞬时峰值电压，sin(wt):电源设备能输出的最小频率的交流正弦波形，T : 电源设备能输出的最小周期，Rs:运放电路中的电阻值，Cf:运放电路中的反馈电容值。

进一步地，所述DC控制单元控制积分单元获取直流分量值过程包括快速过程、慢速过程和消除过程，其中，

快速过程：电源设备刚输出ON信号，波形开始输出时，由于此时直流分量很大，尽量缩短积分时间，最快的情况下，控制积分一个波形周期获取直流分量，直流分量降低到一定的阈值后，控制进入慢速过程；

慢速过程：波形稳定且直流分量低于一定的阈值时，延长积分时间；

消除过程：当波形运行过程中，发生波形频率变换、波形幅值变化或ON/OFF信号变化，DC控制单元丢弃积分单元获取直流分量值，并控制复位信号至DC采样电路，积分单元到波形的过零信号再重新开始积分。

进一步地，所述环路控制单元消除直流分量处理为：

，

其中，T表示周期，sin(wt)表示波形的瞬时值，DC表示需要抵消的直流分量值，DC/T 表示每次瞬时值需要抵消的DC值，

表示一个周期波形，

相当于波形中抵消DC量。

本发明公开的消除交流电源输出周期对称波形中直流分量的方法，基于上述消除交流电源输出周期对称波形中直流分量的装置，包括以下步骤：

步骤一：信号发生单元发出一定频率和幅值的波形数值和波形的过零信号，DC控制单元根据过零信号控制DC采样电路采样实际输出信号，测量一定周期内波形的直流分量和校准系数；

步骤二：DC控制单元控制积分电路获取波形的直流分量值，将该DC值送入环路控制单元修正控制量；

步骤三：环路控制单元修正控制量，逐渐去除波形中的直流分量，通过功率单元输出转为特定幅值的波形输出，形成一个慢速的闭环控制，最终将输出波形的直流分量消除或者稳定在阈值范围内。

进一步地，所述步骤一包括以下过程：

设定设备在直流模式下，分别输出直流电压va,vb，并且控制积分时长t，获取ADC电路采样的码值codea，codeb ，计算系数mx 和mb，计算公式：

，

；

在校准模式下，获取测量设备理论输出0V时，实际测量得到0V对应的直流值，实际测量得到0V对应的直流值是物理系统的直流偏置Vzero，

最终获取直流分量的值：Vdc=（mx*code+mb）-Vzero，其中code是直流分量在时长t=num*Ts下的积分码值，Ts为采样周期，积分时长为num个Ts。

进一步地，所述步骤二中，设备输出对称周期波形时，由于ON/OFF信号、波形的频率变化和波形幅值变换都会使波形的DC值不为零，所述DC控制单元控制积分电路获取直流分量值过程包括快速过程、慢速过程和消除过程，其中，

快速过程：电源设备刚输出ON信号，波形开始输出时，由于此时直流分量很大，尽量缩短积分时间，最快的情况下，控制积分一个波形周期获取直流分量，直流分量降低到一定的阈值后，控制进入慢速过程；

慢速过程：波形稳定且直流分量低于一定的阈值时，延长积分时间；

消除过程：当波形运行过程中，发生波形频率变换、波形幅值变化或ON/OFF信号变化，DC控制单元丢弃积分单元获取直流分量值，并控制复位信号至DC采样电路复位积分单元，积分单元到波形的过零信号再重新开始积分。

进一步地，所述DC控制模块控制足够长的复位信号复位积分单元，保证下次积分时电容中的电荷为0，同时根据波形的过零点信号发出积分控制，测量波形的数个周期中的累积直流分量。

进一步地，所述环路控制单元消除直流分量处理为：

其中，T表示周期，sin(wt)表示波形的瞬时值，DC表示需要抵消的直流分量值，DC/T 表示每次瞬时值需要抵消的DC值，

表示一个周期波形，

相当于波形中抵消DC量，

消除正弦波中的直流分量时，将修正值放到设定值中修正，通过环路的作用，逐渐去除波形中的DC值。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明所述的DC控制单元通过发出控制信号（复位信号）来控制DC采样电路采样实际输出信号，测量数个周期波形的直流分量之后，DC控制单元获取该值，然后再将该DC值送入环路控制模块逐步修正控制量，控制功率单元输出，形成一个慢速的闭环控制，最终将输出波形的直流分量消除或者稳定在一个很小的数量级上，经过实际测试，可消除交流源输出周期对称波形中的直流分量，提高交流电源的输出精度和准确度。

附图说明

图1是本发明公开的消除交流电源输出周期对称波形中直流分量的装置示意图。

图2是本发明公开的消除交流电源输出周期对称波形中的直流分量装置中DC采样电路示意图。

图3是本发明公开的消除交流电源输出周期对称波形中直流分量的装置中DC控制单元工作示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。可以理解的是，此处所述描述的具体实施例仅仅用于解释本发明实施例，而非本发明实施例的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅显示出了与本发明实施例相关的部分而非全部结构。

本实施例提供了一种消除交流电源输出周期对称波形中的直流分量的装置，自适应强，高效快速的方法，消除交流源输出周期对称波形中的直流分量。

如图1所示，本发明公开了消除交流电源输出周期对称波形中直流分量的装置，包括：信号发生单元、DC控制单元、DC采样电路、环路控制单元和功率单元，所述信号发生单元用于发出交流电源的过零点和周期信息，信号发生单元分别与DC控制单元和环路控制单元相连接；所述DC控制单元分别与DC采样电路和环路控制单元相连，DC采样电路设置在DC控制单元和输出端之间，DC控制单元根据交流电源的过零点和周期信息，产生对应的控制信号控制DC采样电路采样实际输出信号，获取整周期的直流分量，并将直流分量送入环路控制单元；环路控制单元与功率单元相连, 功率单元需要设定量转为特定幅值的波形输出，所述环路控制单元用于修正控制量，逐渐去除波形中的直流分量，通过功率单元输出转为特定幅值的波形输出，形成一个慢速的闭环控制，最终将输出波形的直流分量消除或者稳定在阈值范围内。

在本实施例中，慢速是相对于电源设备内的环路来说，消除直流分量的环路为外环，由于测量直流分量的时间很长，测量直流分量的周期可能是几个整周期，或几十个整周期，测量的时间越长，直流分量越准确，同时测量的时间越长，获得的直流分量相当于被低通滤波了。

如图2所示，所述DC采样电路由一个积分单元和ADC采样电路组成，所述积分单元由运算放大器、电容、开关和电阻组成。积分单元是使输出信号与输入信号的时间积分值成比例，根据运算放大器的虚短和虚断，可以得到

，复位信号控制电路开关S，S闭合，使积分电容Cf放电，直到电容上电量为0，为下一次积分作准备，S打开，电路工作在积分过程。

对于积分电容C参数的选择，需要考虑电源设备能输出对称周期波形最大的幅值，波形频率及其最大的积分时长，虽然对称波形中直流分量很小，但积分时长越长，积分值越大。同时为了保护电路不损坏,必须考虑半个周期，最大幅值和最小频率的积分值，积分电路不饱和，电路才能正常，在没有直流分量的情况下，积分单元获取的最大峰值的计算公式如下：

，

其中，Vmax:电源设备能输出的最大瞬时峰值电压，sin(wt):电源设备能输出的最小频率的交流正弦波形，T : 电源设备能输出的最小周期，Rs:运放电路中的电阻值，Cf:运放电路中的反馈电容值。

该装置的DC控制单元通过发出控制信号（复位信号）来控制DC采样电路采样实际输出信号，测量数个周期波形的直流分量之后，DC控制单元获取该值，然后再将该DC值送入环路控制模块逐步修正控制量，控制功率单元输出，形成一个慢速的闭环控制，最终将输出波形的直流分量消除或者稳定在一个很小的数量级上。

基于上述消除交流电源输出周期对称波形中直流分量的装置，本发明公开了一种消除交流电源输出周期对称波形中的直流分量的方法，包括以下步骤：

步骤一：校准获取校准系数及其直流偏置：信号发生单元需要发出一定频率和幅值的波形数值，波形的瞬时值就是环路的设定量，同时信号发生单元也提供波形的过零信号，DC控制单元根据过零信号控制DC采样电路采样实际输出信号，测量一定周期内波形的直流分量和校准系数。具体包括：

设定设备在直流模式下，分别输出直流电压va,vb，并且控制积分时长t，获取ADC电路采样的码值codea，codeb ，计算系数mx 和mb，计算公式：

，

；

本实施例中由于物理的直流分量校准电路存在偏差，所以采用一元一次方程校准直流分量，mx和mb是方程的两个待求的系数，由于是直流输出，控制信号只需要按校准时间控制，两个系数需要两个方程，最终可求得系数mx 和mb。

另一方面在校准模式下，获取测量设备理论输出0V时，实际测量得到0V对应的直流值，实际测量得到0V对应的直流值是物理系统的直流偏置Vzero。Vzero:设备在未输出时，存在着0V电压偏置，需要DC采样电路测量出来，用于后续的校准外环中。

最终通过校准算式，获取交流设备输出波形中的直流分量值，校准算式：

Vdc=（mx*code+mb）-Vzero，

其中code是直流分量在时长t=num*Ts下的积分码值，Ts为采样周期，积分时长为num个Ts。

在本实施例中，一定周期:设计的交流设备能输出波形的周期范围。DC控制模块根据交流电源的过零点和周期信息，产生对应的控制信号控制积分电路，获取整周期的直流分量。

步骤二：DC控制单元控制积分单元获取直流分量值过程：信号发生单元需要发出一定频率和幅值的波形数值，波形的瞬时值就是环路的设定量，同时信号发生单元也提供波形的过零信号，DC控制单元根据过零信号控制积分电路获取波形的直流分量值，将该DC值送入环路控制单元修正控制量。

设备输出对称周期波形时，由于ON/OFF信号，波形的频率变化和波形幅值变换都会使波形的DC值不为零，为了准确地获取波形中的直流分量，需要精确地控制积分复位信号，此过程详细分为清除过程，快速积分过程和慢速积分三个过程。

快速过程：电源设备刚ON，波形开始输出时，此时需要尽可能快地将直流分量降低到一定的数量级上，所以缩短积分时间，当波形频率比较低的话，最快可以控制积分一个波形周期获取DC量用于控制，当此过程持续一段侯建后，直流分量降低到一定的阈值后，控制进入慢速过程。通过最快获取一个波形DC量，再将此DC量带入环路抵消此DC量，尽快使波形的DC量稳定到一个慢速调整的区间。

测量DC过程，测量的整周期个数越多，测量值越稳定，趋于实际波形中存在的直流分量。测量的整周期个数越少，最少是一个整周期，获得的直流分量存在噪声，会在波形中实际的直流分量值上下波动。

某些情况下，如果需要快速地消除波形中的DC，设备刚输出波形时，控制测量时间短，由于外环是根据获取的DC值来响应，而修正直流分量的，所以外环修正速度是随测量时间而变化。快速修正一段时间后，直流分量被控制到一定小的范围内后，再调慢测量时长，相应也调慢了外环响应的速度。

本实施例中所述具体阈值数值范围：一般交流波形，理论上DC=0V。具体阈值可以根据设备自身的硬件参数，及其外接设备对输出波形中直流分量的要求来确定。如果需要直流分量很小，即使有直流分量，也必须在很短的时间内，则直流分量>=30mv以上可以快速修正，30mv以下调整到满速修正。该参数可以外部设定，根据输出的波形周期及其接入电源的设备对直流分量要求，选择合适的参数控制。

慢速过程：此时系统波形稳定，直流分量相对较小，低于一定的阈值，延长积分时间，相应环路补偿也变慢。

其中具体阈值数值范围：快速测量时间。

其中具体延长数值范围：慢速测量时间。

消除过程：当波形运行过程中，发生波形频率变换,波形幅值变化或on/off信号变化，如果当前测量包含这些时刻的DC值会不准确，控制模块需要丢弃此此测量结果，并控制复位信号复位积分电路，之后到波形的过零信号再重新开始积分。

如图3所示，DC控制模块还需要控制足够长的复位信号复位积分电路，保证下次积分时电容中的电荷为0，同时需要根据波形的过零点信号发出积分控制，测量波形的数个周期中的累积直流分量。在本实施例中，DC采样电路复位时间完全由硬件电路决定，电容大小和电阻阻值决定。

步骤三：环路消除直流分量处理：环路控制单元修正控制量，逐渐去除波形中的直流分量，通过功率单元输出转为特定幅值的波形输出，形成一个慢速的闭环控制，最终将输出波形的直流分量消除或者稳定在阈值范围内。

，

其中，T表示周期，sin(wt)表示波形的瞬时值，DC表示需要抵消的直流分量值，DC/T 表示每次瞬时值需要抵消的DC值，

表示一个周期波形，

相当于波形中抵消DC量。按照公式，可以知道如果需要消除正弦波中的直流分量，可以将修改中值放到设定值中修正，如原来的Vset=sin(w*nTs)，加入修正值变为：Vset=sin(w*nTs)-Vdc/T ,(T为波形周期)，通过环路的作用，系统逐渐去除波形中的DC值。

本发明通过对ON/OFF信号、频率变化、幅值变化及其其它影响直流分量的信号的控制，及其控制的策略的不同，精准地控制积分电路，准确地获取波形中的DC值。

以上结合具体实施例描述了本发明例的技术原理。这些描述只是为了阐述本发明实施例，而不能以任何方式解释为对本发明的实施例保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明实施例的其它具体实施方式，这些方式都将是本发明实施例的保护范围之内。

Claims (7)

1.消除交流电源输出周期对称波形中直流分量的装置，其特征在于，包括：信号发生单元、DC控制单元、DC采样电路、环路控制单元和功率单元，

所述信号发生单元用于发出交流电源的过零点和周期信息，所述信号发生单元分别与DC控制单元和环路控制单元相连接；

所述DC控制单元根据交流电源的过零点和周期信息，产生对应的控制信号控制DC采样电路采样实际输出信号，获取整周期的直流分量，并将直流分量送入环路控制单元；

所述环路控制单元用于修正控制量，逐渐去除波形中的直流分量，通过功率单元输出目标设定值波形，形成一个闭环控制，最终将输出波形的直流分量消除或者稳定在阈值范围内；

所述DC采样电路由一个积分单元和ADC采样电路组成，所述积分单元由运算放大器、电容、开关和电阻组成；

所述DC控制单元控制积分单元获取直流分量值过程包括快速过程、慢速过程和消除过程，其中，

快速过程：电源设备刚输出ON信号，波形开始输出时，控制积分一个波形周期获取直流分量，当直流分量降低到一定的阈值后，控制进入慢速过程；

慢速过程：波形稳定且直流分量低于一定的阈值时，延长积分时间，积分时间包含多个波形周期；

消除过程：当波形运行过程中，发生波形频率变换、波形幅值变化或ON/OFF信号变化，DC控制单元丢弃积分单元获取直流分量值，并控制输出复位信号至DC采样电路，积分单元到波形的过零点再重新开始积分。

2.根据权利要求1所述的消除交流电源输出周期对称波形中直流分量的装置，其特征在于，为了保护电路不损坏，在没有直流分量的情况下，积分单元获取的最大峰值的计算公式如下：

其中，Vmax:电源设备能输出的最大瞬时峰值电压，sin(wt):电源设备能输出的最小频率的交流正弦波形，T : 电源设备能输出的最小周期，Rs:积分单元中的电阻值，Cf:积分单元中的反馈电容值。

3.根据权利要求1所述的消除交流电源输出周期对称波形中直流分量的装置，其特征在于，所述环路控制单元消除直流分量处理为：

其中，T表示波形周期，sin(wt)表示波形的瞬时值，DC表示需要抵消的直流分量值，DC/T 表示每次瞬时值需要抵消的DC值，

表示一个周期波形，

相当于波形中抵消DC量。

4.消除交流电源输出周期对称波形中直流分量的方法，基于权利要求1-3任一项所述的消除交流电源输出周期对称波形中直流分量的装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：信号发生单元用于发出交流电源的过零点信号和周期信息，DC控制单元根据过零点信号控制DC采样电路采样实际输出信号，DC采样电路测量一定周期内波形的直流分量和校准系数；

设定设备在直流模式下，分别输出直流电压va,vb，并且控制积分时长t，获取ADC采样电路采样的码值codea，codeb ，计算校准系数mx 和mb，计算公式：

，

；

其中，Rs:积分单元中的电阻值，Cf:积分单元中的反馈电容值；

在校准模式下，获取测量设备理论输出0V时，实际测量得到0V对应的直流值，该量是物理系统的直流偏置Vzero，

最终获取直流分量的值：Vdc=（mx*code+mb）-Vzero，其中code是直流分量在时长t=num*Ts下的积分码值，Ts为采样周期，积分时长为num个Ts；

步骤二：DC控制单元控制积分单元获取波形的直流分量值，将该直流分量值送入环路控制单元修正控制量；

步骤三：环路控制单元修正控制量，逐渐去除波形中的直流分量，通过功率单元输出目标设定值波形，形成一个慢速的闭环控制，最终将输出波形的直流分量消除或者稳定在阈值范围内。

5.根据权利要求4所述的消除交流电源输出周期对称波形中直流分量的方法，其特征在于：所述步骤二中，设备输出对称周期波形时，由于ON/OFF信号变化、波形的频率变化和波形幅值变换都会使波形的DC值不为零，所述DC控制单元控制积分单元获取直流分量值过程包括快速过程、慢速过程和消除过程，其中，

快速过程：电源设备刚输出ON信号，波形开始输出时，由于此时直流分量很大，尽量缩短积分时间，最快的情况下，控制积分一个波形周期获取直流分量，直流分量降低到一定的阈值后，控制进入慢速过程；

慢速过程：波形稳定且直流分量低于一定的阈值时，延长积分时间；

消除过程：当波形运行过程中，发生波形频率变换、波形幅值变化或ON/OFF信号变化，DC控制单元丢弃积分单元获取直流分量值，并控制输出复位信号至DC采样电路复位积分单元，积分单元到波形的过零点再重新开始积分。

6.根据权利要求5所述的消除交流电源输出周期对称波形中直流分量的方法，其特征在于：所述DC控制单元控制足够长的复位信号复位积分单元，保证下次积分时电容中的电荷为0，同时根据波形的过零点信号发出积分控制，测量波形的数个周期中的累积直流分量。

7.根据权利要求4所述的消除交流电源输出周期对称波形中直流分量的方法，其特征在于：所述环路控制单元消除直流分量处理为：

，

其中，T表示周期，sin(wt)表示波形的瞬时值，DC表示需要抵消的直流分量值，DC/T 表示每次瞬时值需要抵消的DC值，

表示一个周期波形，

相当于波形中抵消DC量，

消除正弦波中的直流分量时，将积分单元获取波形的直流分量值放到设定值中修正，通过环路的作用，逐渐去除波形中的DC值。

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