CN203071908U - 锁相环 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种锁相环，包括信号检测装置、强滤波器、等效信号频率计算装置、等效信号相位获取装置和相位补偿装置；信号检测装置、强滤波器、等效信号频率计算装置、等效信号相位获取装置和相位补偿装置依次相连接，且相位补偿装置的输出端与信号检测装置相连接，构成一个环形的检测系统。检测方法通过对输入锁相环信号进行滤波处理后，计算其等效信号的频率，再将此频率作为基准，通过计数、相移补偿等方式获得输入信号的相位。本实用新型的锁相环，具有可实时有效地检测出输入锁相环信号的频率和相位信息、实现信号频率的准确计算和相位的准确跟踪等优点。

Description

锁相环

技术领域

本实用新型涉及一种锁相环。

背景技术

随着各种非线性负载的大量使用，电能质量问题日益突出，用来改善电能质量的各种电力电子装置得了较广泛的应用。电力电子装置要成功接入电网，需准确实时地检测出电网的相位和频率信息，相位和频率跟踪是控制其中的一个关键环节。传统的硬件过零检测法一般只能在一个工频周期比较两次，动态性能较差，且当电网电压中有较高的谐波含量时，就不能准确地确定过零点。

电力电子装置在电力系统中的应用越来越广泛，它们直接或通过变压器、电抗器等设备与电网并联或串联，并依赖电源电压与电网保持同步运行。要实现并网变换器与电网的同步运行，首先必须检测电网电压的频率和相位，并以此来控制变换器，使其与电网电压保持同步，一般需用锁相环(Phase-Locked Loop, PLL)来获得电网电压相位。

图8为传统锁相环结构框图，锁相环主要由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器和分频器构成。该锁相环的基本工作原理是：鉴相器将电网电压和控制系统内部同步信号的相位差信号转变成电压，通过环路滤波器滤波后去控制压控振荡器，从而改变系统内部同步信号的频率和相位，使之与电网电压一致。此锁相环技术各个环节都包含较多内容，实现较为复杂，且其不能检测出信号频率，相位跟踪效果也较差，不利于工程应用。

实用新型内容

本实用新型是为避免上述已有技术中存在的不足之处，提供一种锁相环，以实时有效地检测出电压频率和相位信息、实现信号频率的准确计算和相位的准确跟踪。

本实用新型为解决技术问题采用以下技术方案。

锁相环，其结构特点是，包括信号检测装置、强滤波器、等效信号频率计算装置、等效信号相位获取装置和相位补偿装置；所述信号检测装置的输入端接入被检测信号，所述信号检测装置的输出端与所述强滤波器的输入端相连接，所述强滤波器的输出端与所述等效信号频率计算装置相连接；所述等效信号相位获取装置的输入端与所述等效信号频率计算装置的输出端相连接，所述等效信号相位获取装置的输出端与所述相位补偿装置的输入端相连接，所述相位补偿装置的输出端与所述信号检测装置相连接。

与已有技术相比，本实用新型有益效果体现在：

本实用新型提供了一种基于强滤波、过零检测与相移补偿等技术的工程适用型锁相环及电压相位和频率检测方法。锁相环包括信号检测装置、强滤波器、等效信号频率计算装置、等效信号相位获取装置和相位补偿装置；信号检测装置、强滤波器、等效信号频率计算装置、等效信号相位获取装置和相位补偿装置依次相连接，且相位补偿装置的输出端与信号检测装置相连接，构成一个环形的检测系统。检测方法通过对输入锁相环信号进行滤波处理后，计算其等效信号的频率，再将此频率作为基准，通过计数、相移补偿等方式获得输入信号的相位。相比传统锁相环技术，此锁相环实现简单，可同时用于检测输入锁相环的信号频率和相位，便于实际应用。

本实用新型的锁相环，具有可实时有效地检测出输入锁相环信号的频率和相位信息、实现信号频率的准确计算和相位的准确跟踪、实现简单且便于实际应用等优点。

附图说明

图1为本实用新型的锁相环的结构框图。

图2为本实用新型的电压相位和频率的检测方法的流程图。

图3为验证本实用新型的PSCAD模型简图。

图4为本实用新型的锁相环在输入信号1情况下，锁相环输出信号θ1的仿真波形图。

图5为本实用新型在输入信号1情况下的其他仿真波形图（V1表示锁相环输入信号，蓝色V_θ1表示锁相环输出信号θ1为相位信号的单位正弦波形）。

图6为本实用新型的锁相环在输入信号2情况下，锁相环输出信号θ2的仿真波形图。

图7为本实用新型在输入信号2情况下的其他仿真波形图（V2表示锁相环输入信号，蓝色V_θ2表示锁相环输出信号θ2为相位信号的单位正弦波形）。

图8为传统的锁相环的结构示意图。

以下通过具体实施方式，并结合附图对本实用新型作进一步说明。

具体实施方式

参见图1，锁相环，包括信号检测装置、强滤波器、等效信号频率计算装置、等效信号相位获取装置和相位补偿装置；所述信号检测装置的输入端接入被检测信号，所述信号检测装置的输出端与所述强滤波器的输入端相连接，所述强滤波器的输出端与所述等效信号频率计算装置相连接；所述等效信号相位获取装置的输入端与所述等效信号频率计算装置的输出端相连接，所述等效信号相位获取装置的输出端与所述相位补偿装置的输入端相连接，所述相位补偿装置的输出端与所述信号检测装置相连接。

所述信号检测装置用于对输入的被检测信号进行等间隔采样，并将采样后的被检测信号传送给强滤波器进行滤波，强滤波器将滤波后的被检测信号传递给等效信号频率计算装置，由等效信号频率计算装置获取信号的频率f，然后等效信号频率计算装置输出被检测信号的频率f，并将被检测信号传送给等效信号相位获取装置。等效信号相位获取装置获取被检测信号的相位信息，然后将相位信息传送给相位补偿装置，由相位补偿装置对获取的相位信息进行补偿处理。所述相位补偿装置的输出端输出被检测信号的相位θ并将该相位θ传送给所述信号检测装置。本实用新型的锁相环，能够得到各种信号的频率和相位，其锁相精度高，锁相频带宽，响应速度较快，便于实际应用。

利用上述锁相环进行电压相位和频率的检测，检测步骤如下：

步骤1：获得采样信号Va；

（对输入的被检测信号进行等间隔采样，获得采样间隔相等的采样信号Va。）

步骤2：对采样信号进行低通滤波处理，得到新的滤波信号Va0；

采样信号经过强滤波手段，得到新的滤波信号Va0。所选择的低通滤波器具有如下特征：其滤波函数如下式（1）。

$Y\left(t\right)=L^{-1}\left\{\frac{G\·X\left(s\right)}{1+2\·\mathrm{\ζ}\·\left(\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_c}\right)+{\left(\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_c}\right)}^2}\right\}---\left(1\right)$

其中，Y（t）为输出信号的时域函数；X（s）的输入信号的频域函数；ζ为阻尼比，决定输出的稳定性；L^-1表示拉普拉斯反变换；s为拉普拉斯变换因子；G为增益；ω_c为特征频率（单位为rad/sec）。）

所选择低通滤波器存在相移，表现为滤波器输出信号较输入信号有一段时间的相位延迟(Phase Delay)。

由式子（1）可得到相移传递函数如下式（2）。

$G\left(s\right)=\frac{Y\left(s\right)}{X\left(s\right)}=\frac{G}{1+2\·\mathrm{\ζ}\·\left(\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_c}\right)+{\left(\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_c}\right)}^2}---\left(2\right)$

将式子（2）中的拉普拉斯算子s用jw=j*2π*f替换，再求取其相频特性，就可以得到频率f下对应的相移补偿量φ₀。

步骤3：比较器处理滤波信号Va0，得到方波信号Xa；

所选比较器具有如下特征：其阈值为0，大于等于0时输出值为1，小于0时输出值为0。

步骤4：上升沿触发，得到过零点触发的触发波形Sa；

（上升沿触发特征在于：检测波形上升沿，将步骤3的方波信号Xa变成具有尖脉冲形式的过零点的触发信号Sa。）

步骤5：计算采样信号Va的频率f；

根据步骤4记录的过零点触发信号Sa，记录N个尖脉冲，其对应的时间分别为：t₁,t₂,…，t_N，则可得采样信号Va的频率计算公式如下式（3）。

$f=\frac{\underset{k=2}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(t_k-t_{k+1})}{N-1}---\left(3\right)$

步骤6：求取脉冲信号发生器的频率fs；

根据步骤5计算得到的频率f，可求取脉冲信号发生器的频率fs如下式（4）。

f_s=f*1000             （4）

步骤7：脉冲信号发生器产生脉冲波Pa；

所设计的脉冲信号发生器具有如下特征：脉冲信号频率为fs，初始值为0，占空比为0.5，最大输出值为1，最小输出值为0。

步骤8：上升沿触发，得到脉冲信号Pa的触发波形Ta；

上升沿触发特征在于：检测波形上升沿，将步骤7的脉冲信号Pa变成具有尖脉冲形式的触发信号Ta。

步骤9：计数器计数，得到放大1000倍的相位波形Qa；

计数器特征在于：输入信号为步骤8的触发波形Ta，复位信号为步骤4的触发波形Sa，计数从0开始到1000结束，循环计数。

步骤10：引入乘法器，得到新信号波形Qa0；

乘法器的增益为0.36，即将步骤9得到的相位放大信号Qa乘以0.36，得到滤波信号Va0的相位波形Qa0。

步骤11：相移补偿，得到采样信号Va的相位特征波形。

将步骤4计算的到频率代入步骤2中，求得相移补偿量φ0。将步骤10滤波信号Va0的相位波形Qa0加上相移补偿量φ0，就可以得到采样信号Va的相位特征波形θ。

在以上步骤5中得到被检测信号频率f，在步骤11中获得被检测信号的相位波形θ，本实用新型提出的基于强滤波、过零检测与相移补偿等技术的工程适用型锁相环设计方法，可以在检测出输入锁相环信号频率的同时获取相位信息，准确跟踪信号相位，简单可靠。

采用商业仿真软件PSCAD来验证本实用新型提出的锁相环设计方法的有效性，其简要模型如图3所示。

采用前文所述的计算步骤，使用附图3中的测试模型，分别对两组输入信号进行测试。

输入信号1：V₁=2*sin(2*π*50+0°)；输入信号2：V₁=3*cos(2*π*100+10°)。

仿真总时长设为0.2s，采用3us的仿真步长进行仿真。

采用信号1的测试中，各仿真波形见附图4～附图5。

采用信号2的测试中，各仿真波形见附图6～附图7。

从附图4～附图7仿真波形可以看出，本文提出的锁相环设计方法能够得到各种信号的频率和相位，其锁相精度高，锁相频带宽，响应速度较快，便于实际应用。

本实用新型提成的锁相环，是基于强滤波、过零检测与相移补偿等技术的方法，所述采样信号滤波单元使用低通滤波器对采样信号进行强滤波处理，滤除所述采样信号的高频谐波信号；利用滤波器特征，可以得到相移补偿量；可同时得到采样信号的频率和相位；因此，可以实时有效地检测出输入锁相环信号的频率和相位信息，实现信号相位的准确跟踪。检测方法的关键步骤包括信号低通滤波处理、过零检测及频率计算、脉冲信号发生及计数、相移补偿等。本方法由于对检测信号进行强滤波处理，因此能够有效消除实信号中的谐波干扰，提高了过零点检测的准确性，进而提高测量频率的可靠性和精确性，再将该频率引入到相位跟踪环节，突破了传统锁相环锁相精度不高、锁相频带窄、不能确定信号频率等缺点，能够在快速锁相的同时保证锁相精度，有助于工程应用。

Claims (1)

1.锁相环，其特征是，包括信号检测装置、强滤波器、等效信号频率计算装置、等效信号相位获取装置和相位补偿装置；所述信号检测装置的输入端接入被检测信号，所述信号检测装置的输出端与所述强滤波器的输入端相连接，所述强滤波器的输出端与所述等效信号频率计算装置相连接；所述等效信号相位获取装置的输入端与所述等效信号频率计算装置的输出端相连接，所述等效信号相位获取装置的输出端与所述相位补偿装置的输入端相连接，所述相位补偿装置的输出端与所述信号检测装置相连接。

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