DE4205300C1 - Digital determination of phase and amplitude of periodic signal in phase locked loop - sampling periodic signal using sampling period to give constant whole number of measured value samples and phase estimates per period - Google Patents

Digital determination of phase and amplitude of periodic signal in phase locked loop - sampling periodic signal using sampling period to give constant whole number of measured value samples and phase estimates per period

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DE4205300C1 DE19924205300 DE4205300A DE4205300C1 DE 4205300 C1 DE4205300 C1 DE 4205300C1 DE 19924205300 DE19924205300 DE 19924205300 DE 4205300 A DE4205300 A DE 4205300A DE 4205300 C1 DE4205300 C1 DE 4205300C1
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Abstract

The method involves performing synchronised digital sampling of the periodic signal (u(t)) and varying the sampling period (TA) such that a whole number of samples are taken per signal period. The samples are Fourier analysed and the resulting coefficients of the cosine terms of the fundamental are used to determine the phase of the fundamental. The coefficients of the sine terms of the fundamental are used to determine its amplitude. The coefficients of the cosine terms are fed as a phase error signal a controller in the phase locked loop. The sine and cosine functions for a sampling phase angle can be stored in a look-up table. USE/ADVANTAGE - E.g. for digital control of power converters. Allows simple pre-estimation of input signal.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method according to the preamble of claim 1.

Die Grundstuktur einer phasenstarren Regelschleife (PLL(Phase-Locked Loop)) zeigt Fig. 2. Die PLL besteht aus einem Phasendetektor 1, einem Filter 2 und einem gesteuerten Oszillator 3 (VCO). Ein periodisches Eingangssignal u wird mit einem von dem Oszillator 3 erzeugten Signal v, welches in seiner Frequenz im eingeschwungenen Zustand derjenigen des Eingangssignals u gleicht, über den Phasendetektor 1 verknüpft. Dieser besteht zum Beispiel aus einem Multiplizierglied oder einem einfachen logischen Gatter, welches dann nur die Vorzeichen der beiden Signale verarbeitet. Das Ausgangssignal d des Phasendetektors 1 besteht im wesentlichen aus einem Frequenzanteil mit der Summe der beiden Eingangsfrequenzen (stationär doppelte Eingangsfrequenz) und einem Differenzfrequenzglied, welches stationär einen Gleichanteil verursacht. Dieser stationäre oder zumindest nur langsam veränderliche Gleichanteil ist ein Maß für die Phasendifferenz zwischen beiden Signalen u und v und kann daher nach Filterung über das als Tiefpaß ausgebildete Filter 2 zur Steuerung des Oszillators 3 verwendet werden, dessen Eingangssignal dann ein Schätzwert der Eingangsfrequenz ω ist, so daß eine phasenstarre Kopplung zwischen den Signalen u und v erreicht wird. The basic structure of a phase-locked loop (PLL) is shown in FIG. 2. The PLL consists of a phase detector 1 , a filter 2 and a controlled oscillator 3 (VCO). A periodic input signal u is linked via the phase detector 1 to a signal v generated by the oscillator 3 , the frequency of which in the steady state is the same as that of the input signal u. This consists, for example, of a multiplier or a simple logic gate, which then only processes the signs of the two signals. The output signal d of the phase detector 1 essentially consists of a frequency component with the sum of the two input frequencies (stationary double input frequency) and a difference frequency element, which causes a constant component in a stationary manner. This stationary or at least only slowly changing DC component is a measure of the phase difference between the two signals u and v and can therefore be used after filtering via the filter 2 designed as a low-pass filter to control the oscillator 3 , the input signal of which is then an estimate of the input frequency ω, so that a phase-locked coupling between the signals u and v is achieved.

Auf eine weitergehende Darstellung der Grundlagen von PLL-Schaltungen wird hier verzichtet, da mit dem Buch von R. Best "Theorie und Anwendungen des Phase-Locked Loops" AT-Verlag, Aarau (Schweiz), 1981, 2. ergänzte Auflage eine gute Einführung zur Verfügung steht (siehe insbesondere Seiten 11 bis 13, 15 bis 18).On a further presentation of the basics of PLL circuits is omitted here because with the book by R. Best "Theory and Applications des Phase-Locked Loops "AT-Verlag, Aarau (Switzerland), 1981, 2nd supplementary edition a good introduction is available (see in particular pages 11 to 13, 15 to 18).

Immer häufiger wird die Regelung von Stromrichtern in digitaler Betriebsweise durchgeführt. Da eine derartige Regelung abtastend (zeitdiskret) arbeitet, müssen die notwendigen Regelgrößen oder Spannungen genau für diese Abtastzeitpunkte ermittelt werden. Dies bedeutet unmittelbar, daß die Phasen- und Amplitudenerfassung, die mit einer derartigen Regelung zusammenarbeiten soll, im gleichen Zeitraster wie die Regelung arbeiten muß. Arbeiten diese digitalen Regelungen mit konstanter Abtastzeit, kann eine digitale PLL im wesentlichen nach dem aus der Analogtechnik bekannten, oben beschriebenen Verfahren aufgebaut werden.The regulation of converters in digital mode is becoming more and more common carried out. Since such a control is sampling (time-discrete) works, the necessary control variables or voltages can be determined precisely for these sampling times. This means immediately that the phase and amplitude detection using such a scheme should work together in the same time grid as the regulation must work. If these digital controls work with a constant sampling time, one can digital PLL essentially according to that known from analog technology, above described procedures are built.

Verschiedene Anforderungen (z. B. Vermeidung von Schwebungserscheinungen) bedingen, daß die digitalen Regelungen von Stromrichtern nicht mit konstantem Zeittakt arbeiten dürfen, sondern sich mit einer festen Zahl von Takten auf die Periode der Grundschwingung (z. B. der Netzspannung) synchronisieren müssen. Variiert die Netzspannung in der Frequenz, muß auch die Frequenz des Zeittaktes (Abtastfrequenz) variieren, damit die gewünschte Zahl von Takten (Abtastintervallen) je Periode konstant bleibt. Diese besonderen Anforderungen haben zur Folge, daß die übliche Standardlösung zur Phasendetektion, ein Phasenregelkreis oder eine PLL in der zuvor beschriebenen Form nicht ohne weiteres zu übernehmen ist.Various requirements (e.g. avoidance of beating symptoms) condition that the digital controls of converters are not constant Time cycle allowed to work, but with a fixed number of cycles synchronize the period of the fundamental oscillation (e.g. the mains voltage) have to. If the mains voltage varies in frequency, the frequency must also of the timing (sampling frequency) vary so that the desired number of Clocking (sampling intervals) per period remains constant. These special requirements have the consequence that the usual standard solution for phase detection, a phase locked loop or a PLL in the form described above is not easy to take over.

In der nicht vorveröffentlichten DE 40 32 441 C1, die jedoch auf einer älteren Patentanmeldung beruht, ist ein Verfahren zum Messen der Phasenlage zweier frequenzgleicher analoger Signale beschrieben, bei dem die Abtastrate bezogen auf die zeitliche Dauer der nachfolgenden Schwingung im Bereich ±50% konstant ist. In the unpublished DE 40 32 441 C1, which, however, on a Older patent application is a method for measuring the phase position two analog signals of the same frequency are described, in which the Sampling rate based on the duration of the subsequent oscillation is constant in the range of ± 50%.  

Durch die DE 35 12 216 C2 ist ein Phasenkomparator bekannt, bei dem ein Sägezahnsignal verschoben wird, wenn ein Abtastimpuls den schrägen Bereich des Sägezahnsignals verläßt. Durch diese Verschiebung wird sichergestellt, daß der Abtastimpuls immer in die schäge ansteigende Flanke des Sägezahnimpulses fällt.A phase comparator is known from DE 35 12 216 C2, in which a Sawtooth signal is shifted when a strobe hits the sloping area of the sawtooth signal. This shift ensures that the sampling pulse always falls in the inclined rising edge of the sawtooth pulse.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das auf einfache Weise zu realisieren ist.The invention has for its object a method of the aforementioned Specify type that is easy to implement.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die in Anspruch 1 gekennzeichneten Verfahrensschritte gelöst.This object is achieved according to the invention by those characterized in claim 1 Process steps solved.

Die vorteilhafte Besonderheit dieses Verfahrens liegt in der digitalen (zeitdiskreten) Arbeitsweise, wobei die Abtastungen selbst phasensynchron erfolgen. Damit ist die Abtastfrequenz der Regelung zeitlich nicht mehr konstant. Vielmehr erfolgt je Periode des abzutastenden Signals eine konstante Zahl von Abtastungen, so daß sich die Abtastfrequenz bzw. die Abtastperiode bei veränderlicher Frequenz des abzutastenden Signals ebenfalls verändert. Damit ist es möglich, ein mit der Netzspannung synchronisiertes Pulsmuster zu verwenden, welches gegenüber asynchroner Pulsung Schwebungen vermeidet. Die synchrone Abtastung hat einen vorteilhaften Nebeneffekt: Zur Ermittlung der Phase und auch der Amplitude sind trigonometrische Funktionen nötig. Da aber durch die Synchronisierung immer nur die gleichen Winkel entsprechend der Zahl der Abtastungen je Periode auftreten, können die Funktionswerte der Sinus- und Cosinusfunktionen für diese Winkel in einer Tabelle abgelegt werden, die auf einfache Weise in einem Rechner zu speichern ist.The advantageous peculiarity of this method lies in the digital  (Time-discrete) mode of operation, the samples themselves being phase-synchronized respectively. The sampling frequency of the control is therefore not temporal more constant. Rather, it takes place per period of the signal to be sampled a constant number of samples, so that the sampling frequency or the sampling period at variable frequency of the signal to be sampled also changed. This makes it possible to have a pulse pattern synchronized with the mains voltage to use which beats compared to asynchronous pulsing avoids. The synchronous sampling has an advantageous side effect: To determine the phase and also the amplitude are trigonometric Functions necessary. But because of the synchronization only the same angles corresponding to the number of samples can occur for each period, the function values of the sine and cosine functions for these angles are stored in a table that is easy to save in a computer.

Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen des Verfahrens nach der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 13 gekennzeichnet.Advantageous training and further developments of the method according to the invention are characterized in claims 2 to 13.

Das Verfahren nach der Erfindung soll anhand eines in Fig. 1 gezeigten Strukturbildes im folgenden erläutert werden:The method according to the invention will be explained below with reference to a structural diagram shown in FIG. 1:

Neben den bereits zu Fig. 2 erläuterten Bauelementen eines Phasendetektors 1, der hier als Multiplizierglied ausgebildet ist, eines Filters 2 und eines Oszillators 3 ist als Eingangsglied ein abtastender Analog-/Digitalwandler (Sample and Hold) 7 vorgesehen, dem ein analoges zeitveränderliches periodisches Signal u(t), zum Beispiel eine Wechselspannung, zugeführt wird und der ein getaktetes, abgetastetes Signal u(k) an das Filter 2 weitergibt.In addition to the components of a phase detector 1 , which is designed here as a multiplier, a filter 2 and an oscillator 3 , which have already been explained in relation to FIG. 2, a scanning analog / digital converter (sample and hold) 7 is provided as an input element, to which an analog time-varying periodic signal u (t), for example an AC voltage, is supplied and which transmits a clocked, sampled signal u (k) to the filter 2 .

Von dem Signal u(t) sollen nun die Phasenlage (der Phasenwinkel) und die Amplitude der Grundschwingung bestimmt werden. Da mit einer konstanten Zahl von Abtastungen je Periode gearbeitet werden soll, ist also notwendig, bei veränderlicher Frequenz des Signales u(t) und somit seiner Periodendauer auch die Abtastperiode TA zu verändern und eine Eingriffsmöglichkeit zur Verstellung von TA vorzusehen. The phase position (the phase angle) and the amplitude of the fundamental oscillation are now to be determined from the signal u (t). Since a constant number of samples per period is to be used, it is therefore necessary to change the sampling period T A when the frequency of the signal u (t) changes, and thus its period, and to provide a means of intervention for adjusting T A.

Da alle Strukturelemente mit diesem Zeittakt arbeiten, wirkt sich eine Verstellung von TA auf jedes Element aus.Since all structural elements work with this time cycle, an adjustment of T A affects every element.

Ferner stehen zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung gemäß dem Strukturbild der Fig. 1 ein PI-Regler 4 sowie innerhalb des für die Zwecke der Erfindung abgewandelten "Oszillators" 3 ein Speicherglied 5 und ein cos-Kennliniengeber 6 zur Verfügung.Furthermore, a PI controller 4 and, within the "oscillator" 3 modified for the purposes of the invention, a memory element 5 and a cos characteristic curve generator 6 are available for carrying out the method according to the invention in accordance with the structure diagram of FIG. 1.

Wie zuvor bereits beschrieben, soll eine (hier nicht gezeigte) digitale Regelung zu diskreten Zeitpunkten mit den aktuellen Werten über Phase und Amplitude des periodischen Signals u(t) versorgt werden. Die Zahl der Abtastungen der Netzperiode soll jedoch konstant sein, so daß damit eine synchrone Arbeitsweise von Regelung und PLL erzwungen wird.As previously described, a digital one (not shown here) is said to be Regulation at discrete times with the current values above Phase and amplitude of the periodic signal u (t) are supplied. However, the number of samples of the network period should be constant, so that this forces a synchronous operation of the control and PLL becomes.

Um die Synchronisation zwischen Abtastung und periodischem Signal vornehmen zu können, muß der Phasenwinkel ϕ des periodischen Signals u(t) zur Verfügung stehen. Die Ermittlung des Phasenwinkels ist aber gerade Aufgabe der PLL. Diese wird jeweils für den Winkel ϕ einen Schätz- oder Beobachtungswert liefern, den man statt des nicht zugänglichen Phasenwinkels ϕ verwenden muß. Synchronisiert man also den Rechenzyklus der PLL mit dem von ihr selbst gelieferten Winkel , so führt das dazu, daß das Inkrement ϕinc des Phasenwinkels zwischen zwei Abtastungen stets konstant ist:In order to be able to carry out the synchronization between sampling and periodic signal, the phase angle ϕ of the periodic signal u (t) must be available. However, the PLL is responsible for determining the phase angle. This will provide an estimated or observation value for the angle ϕ, which must be used instead of the inaccessible phase angle ϕ. If one synchronizes the computing cycle of the PLL with the angle it supplies itself, the result is that the increment ϕ inc of the phase angle between two samples is always constant:

(k + 1) = (k) + ϕinc,(k + 1) = (k) + ϕ inc ,

wobeiin which

und nA die konstante Zahl der Abtastungen pro Periode sind, so daß folgt:and n A are the constant number of samples per period, so that:

(k) = kϕinc.(k) = kϕ inc .

Die Steuerung der Phasenrückkopplung wird über die Variation der Abtastperiode TA (Intervall zwischen zwei Abtastungen) vorgenommen. The phase feedback control is carried out by varying the sampling period T A (interval between two samples).

Eine derartige synchrone Abtastung bringt, wie bereits erwähnt, einen zusätzlichen Vorteil: Zur Ermittlung der Phase und auch der Amplitude sind - wie nachstehend noch im Detail erläutert wird - trigonometrische Funktionen nötig. Da aber durch die Synchronisation immer nur Vielfache des Inkrements ϕinc auftreten, können die Funktionswerte der Sinus- und Cosinusfunktionen für diese Winkel in einer Tabelle im Speicherglied 5 abgelegt werden. Wegen der Symmetrien der trigonometrischen Funktionen sind dies für eine Zahl von zum Beispiel nA=88 Abtastungen pro Netzperiode lediglich 22 Werte, die gespeichert sein müssen. Interpolationen zwischen diesen Werten werden nicht benötigt.As already mentioned, such a synchronous scanning has an additional advantage: to determine the phase and also the amplitude - as will be explained in detail below - trigonometric functions are necessary. However, since only multiples of the increment ϕ inc occur due to the synchronization, the function values of the sine and cosine functions for these angles can be stored in a table in the memory element 5 . Because of the symmetries of the trigonometric functions, for a number of, for example, n A = 88 samples per network period, these are only 22 values that must be stored. Interpolations between these values are not required.

Sämtliche Strukturelemente der Fig. 1 arbeiten zeitdiskret (abtastend), wobei sie in Intervallen der Abtastperiode TA, die der Regeler 4 an seinem Ausgang liefert, getriggert werden. Im Vergleich mit der Grundstruktur nach Fig. 2 ist ungewöhnlich, daß die Frequenz nicht mehr in Erscheinung tritt; sie wird auch nicht direkt benötigt. Zum besseren Verständnis kann man dennoch die Frequenz über den DifferenzenquotientenAll the structural elements of Fig. 1 operate in discrete time (scanned), being triggered at intervals of the sampling period T A, which provides the Regeler 4 at its output. In comparison with the basic structure according to FIG. 2, it is unusual that the frequency no longer appears; it is also not required directly. For a better understanding you can still use the frequency over the difference quotient

bilden. Dies gibt gleichzeitig an, wie die Ausgangssignale und TA des Filters 2 in den Strukturen der Fig. 1 und 2 zueinander in Beziehungen stehen.form. At the same time, this indicates how the output signals and T A of the filter 2 in the structures of FIGS. 1 and 2 are related to one another.

Der Eingang des Filters 2 wird vom als Multiplizierglied ausgeführten Phasendetektor 1 gespeist, d. h. das Ausgangssignal des Phasendetektors 1 ist:The input of the filter 2 is fed from the multiplier is designed as a phase detector 1, that is the output signal of the phase detector 1 is:

d(k) = u(k) · v(k).d (k) = u (k) * v (k).

MitWith

u(k) = a₁sin ϕ(k) und v(k) = cos (k)u (k) = a₁sin ϕ (k) and v (k) = cos (k)

ergibt diesthis results

Mit a₁ ist die zunächst noch unbekannte Grundschwingungsamplitude des Eingangssignals u(t) bezeichnet. Das Filter 2 soll nun im Signal d(k) den oszillierenden Term sin (ϕ(k)+(k)) unterdrücken und möglichst nur den Term des Differenzphasenwinkels als Signal e(k) zur Verfügung stellen. Dies wird zur Ausregelung des Phasenfehlers über den Regler 4 verwendet. Um solches zu erreichen, verwendet man bei analoger Realisierung (vgl. Fig. 2 "Best", S. 17) üblicherweise Tiefpässe verschiedener Ordnung, die davon abhängt, welche Unterdrückung des oszillierenden Anteils gewünscht wird.With a ₁ the initially unknown fundamental vibration amplitude of the input signal u (t) is designated. The filter 2 should now suppress the oscillating term sin (ϕ (k) + (k)) in the signal d (k) and, if possible, only provide the term of the differential phase angle as the signal e (k). This is used to correct the phase error via the controller 4 . In order to achieve this, low-pass filters of different orders are usually used in an analog implementation (cf. FIG. 2 "Best", p. 17), which depends on which suppression of the oscillating component is desired.

Bei der hier vorgesehenen digitalen Realisierung können andere, einfache Lösungen gewählt werden, die die Oberschwingungen vollständig unterdrücken: Es werden direkt die Fourierkoeffizienten der Grundschwingung des Eingangssignals bezogen auf die geschätzte Phase berechnet, wobei die Integrationen durch Summationen genähert werden:In the digital implementation provided here, other simple ones can be used Solutions are chosen that completely eliminate the harmonics Suppress: The Fourier coefficients of the fundamental oscillation become directly of the input signal based on the estimated phase, integrations being approximated by summations:

So erhält man im stationären Fall, d. h. wenn ω≈, also bei der tatsächlichen Frequnz ω des Eingangssignals u(t):So you get in the stationary case, d. H. if ω≈, i.e. for the actual frequency ω of the input signal u (t):

â₁(k) = a₁ · cos ((k) - ϕ(k)) = a₁ · cos Δϕ(k) ≈ a₁,â₁ (k) = a₁cos ((k) - ϕ (k)) = a₁cos Δϕ (k) ≈ a₁,

₁(k) = -a₁ · sin ((k) - ϕ(k)) = -a₁ · sin Δϕ(k) ≈ -a₁Δϕ(k),₁ (k) = -a₁ · sin ((k) - ϕ (k)) = -a₁ · sin Δϕ (k) ≈ -a₁Δϕ (k),

wobei die Näherungen 1. Ordnung für kleine Phasenfehlerwhere the 1st order approximations for small phase errors

Δϕ = - ϕ « 1Δϕ = - ϕ «1

gelten.be valid.

Im instationären Fall gilt die NäherungIn the transient case, the approximation applies

₁(k) ≈ -a₁/2 (Δϕ(k) + Δϕ(k - nA)).₁ (k) ≈ -a₁ / 2 (Δϕ (k) + Δϕ (k - n A )).

Dieser Koeffizient enthält keine weiteren Oberschwingungen und kann dem Regler 4 als Phasenfehlersignal zugeführt werden. Die Summation über eine Periode mit nA Abtastschritten kann gleitend vorgenommen werden, oder sie wird jeweils nach einer Periode neu begonnen, was vorteilhafter ist, da der Aufwand etwas geringer ist. Abweichend von der Summation über eine ganze Periode kann ebenso nur über eine halbe Periode summiert werden, was ebenfalls zur vollständigen Unterdrückung von Oberschwingungen führt, wenn davon ausgegangen werden kann, daß das Eingangssignal u(t) symmetrische Halbschwingungen besitzt. Dann ist nA jeweils durch nA/2 zu ersetzen.This coefficient contains no further harmonics and can be fed to the controller 4 as a phase error signal. The summation over a period with n A sampling steps can be carried out smoothly, or it is started again after each period, which is more advantageous since the effort is somewhat less. Deviating from the summation over an entire period, it is also only possible to sum over a half period, which likewise leads to the complete suppression of harmonics if it can be assumed that the input signal u (t) has symmetrical half oscillations. Then n A must be replaced by n A / 2.

Der Koeffizient ₁ muß für eine einfache Phasendetektion nicht berechnet werden. Wenn neben der Phase aber auch die Amplitude des Signals u(t) bestimmt werden soll, gibt ₁ einen Amplitudenschätzwert der 1. Harmonischen des Eingangssignals an. Für diesen Fall muß - über das Strukturbild 1 hinausgehend - auch eine Sinustabelle vorgesehen werden, die aber durch die Symmetrien der trigonometrischen Funktionen auf die Cosinustabelle zurückzuführen ist.The coefficient ₁ does not have to be calculated for a simple phase detection will. If, in addition to the phase, the amplitude of the Signal u (t) to be determined, ₁ gives an amplitude estimate the 1st harmonic of the input signal. In this case - over Going beyond structure 1 - a sine table is also provided be, but by the symmetries of the trigonometric functions is due to the cosine table.

Dieses Verfahren kann zur Bestimmung von Amplitude und Phasenlage der Oberschwingungen im Signal u(t) durch Hinzunahme der Fourierkoeffizienten höherer OrdnungThis method can be used to determine the amplitude and phase position of the Harmonics in the signal u (t) by adding the Fourier coefficients higher order

sowiesuch as

ohne Schwierigkeiten erweitert werden. Der numerische Aufwand ist gering, da - wie schon ausgeführt - die trigonometrischen Funktionen steht mit wiederkehrenden Argumenten auftreten, die tabellarisch vorgebbar sind. can be expanded without difficulty. The numerical effort is low because - as already mentioned - the trigonometric functions stands with recurring arguments that can be specified in tabular form are.  

Die Bestimmung der Fourier-Koeffizienten kann auch auf andere, mit dem Eingangssignal synchronisierte Signale ausgedehnt werden. Zum Beispiel sind das bei der Bestimmung von Phasenlage und Amplitude einer Wechselspannung die Oberschwingungen des aufgrund der Spannung fließenden Wechselstromes.The determination of the Fourier coefficients can also be applied to others signals synchronized with the input signal are expanded. For example are when determining the phase position and amplitude of a AC voltage the harmonics of the flowing due to the voltage Alternating current.

Möglich ist auch die gleichzeitige Erfassung der Phasen und Amplituden von p Signalen ul (l=1 . . . p) eines mehrphasigen Systems, wobei dann für jedes Signal die Fourier-Koeffizienten nachIt is also possible to simultaneously acquire the phases and amplitudes of p signals u l (l = 1... P) of a multiphase system, the Fourier coefficients then being determined for each signal

bestimmt werden. Mit den Winkeln αl(i) werden Phasendifferenzwinkel der Signale untereinander berücksichtigt.be determined. With the angles α l (i), phase difference angles of the signals with one another are taken into account.

Im weiteren Vorgehen gibt es nun zwei Möglichkeiten:There are now two options in the further procedure:

  • 1. Man wählt unter den Signalen ul eines aus (l=l₀), setzt αl0(k)=0 und benutzt den Koeffizienten 1l0 als Fehlergröße für den Phasenregler 4, worauf der Phasenregelkreis auf die Phase des Signals ul0 einrastet. â1l0 gibt den Amplitudenschätzwert der Grundschwingung von ul0 an. Die restlichen Koeffizienten 1l(l≠l₀) können nun benutzt werden, um durch p-1 zusätzliche Regler die Phasendifferenzwinkel αl (l≠l₀) so zu beeinflussen, daß die Koeffizienten 1l zu Null geregelt werden. Dann geben die derart eingestellten Winkel αl (l≠l₀) die Phasenwinkel der Grundschwingungen der Signale ul (l≠l₀) bezogen auf den Phasenwinkel des Signals ul0 und â1l die Schätzwerte der Amplituden an. 1. You choose one of the signals u l (l = l₀), set α l0 (k) = 0 and use the coefficient 1l0 as an error quantity for the phase controller 4 , whereupon the phase-locked loop locks onto the phase of the signal u l0 . â 1l0 gives the amplitude estimate of the fundamental of u l0 . The remaining coefficients 1l (l ≠ l₀) can now be used to influence the phase difference angle α l (l ≠ l₀) by p-1 additional controllers so that the coefficients 1l are regulated to zero. Then the angles α l (l ≠ l₀) set in this way indicate the phase angles of the fundamental oscillations of the signals u l (l ≠ l₀) based on the phase angles of the signals u l0 and â 1l the estimated values of the amplitudes.
  • 2. Aus den Koeffizienten 1l wird zunächst für alle l ein Mittelwert gebildet, der dann dem Phasenregler 4 als Phasenfehlersignal dient. Dann werden p-1 zusätzliche Regler eingesetzt, die die p Winkel αl derart beeinflussen, daß der Mittelwert aller αl stets Null bleibt, und die zusammen mit dem "Phasen-Mittelwert-Regler" die Koeffizienten 1l zu Null regeln. Dann geben die Winkel αl die Phasendifferenzen der einzelnen Signale zu einem gedachten mittleren Phasenwinkel an und 1l sind Schätzwerte der Amplituden der Grundschwingungen der einzelnen Signale.2. From the coefficients 1l , an average value is first formed for all l, which then serves the phase controller 4 as a phase error signal. Then p-1 additional controllers are used which influence the p angles α l in such a way that the mean value of all α l always remains zero and which, together with the “phase-mean value controller”, regulate the coefficients 1l to zero. Then, enter the angle α l, the phase differences of the individual signals to an imaginary middle phase angle and 1l are estimates of the amplitudes of the fundamental vibrations of the individual signals.

Das Verfahren kann wie oben auch auf die Erfassung von Oberschwingungen mehrphasiger Signale angewendet werden.As above, the method can also be used to detect harmonics multiphase signals are applied.

Zur Ausführung des Phasenreglers 4 sind zunächst die zeitdiskreten Modellgleichungen vom Eingangssignal u(t) mit der Frequenz ω und von der PLL zu betrachten. Der Phasenwinkel des periodischen Signals schreitet in einer Abtastperiode TA(k) um ω(k)TA(k) fort. Die Kreisfrequenz ω des periodischen Signals wird dabei als näherungsweise konstant vorausgesetzt. Es folgtTo implement the phase controller 4 , the time-discrete model equations of the input signal u (t) with the frequency ω and of the PLL must first be considered. The phase angle of the periodic signal progresses by ω (k) T A (k) in one sampling period T A (k). The angular frequency ω of the periodic signal is assumed to be approximately constant. It follows

ϕ(k + 1) = ϕ(k) + ωTA(k).ϕ (k + 1) = ϕ (k) + ωT A (k).

Für die phasensynchrone PLL gilt:The following applies to the phase-synchronous PLL:

Der Phasen-SchätzfehlerThe phase estimation error

Δϕ(k) = (k) - ϕ(k)Δϕ (k) = (k) - ϕ (k)

folgt daher der Differenzengleichungtherefore follows the difference equation

Δϕ(k + 1) = Δϕ(k) - ωTA(k) + ϕinc.Δϕ (k + 1) = Δϕ (k) - ωT A (k) + ϕ inc .

Wird erst nach einer vollständigen Periode des periodischen Signals eine Änderung der Abtastperiode TA(k) vorgenommen, läßt sich die Fehlergleichung über nA Schritte fortschreiben:If the sampling period T A (k) is only changed after a complete period of the periodic signal, the error equation can be continued via n A steps:

Δϕ(k + nA) = Δϕ(k) - ωTA(k)nA + 2π.Δϕ (k + n A ) = Δϕ (k) - ωT A (k) n A + 2π.

Wird auf den Index m der Periode des perodischen Signals mit k=nAm übergegangen, wird darausIf the index m of the period of the periodic signal is passed with k = n A m, this becomes

Δϕ(m + 1) = Δϕ(m) - ωTp(m) + 2π,Δϕ (m + 1) = Δϕ (m) - ωT p (m) + 2π,

wobei nATA durch die Periodendauer Tp ersetzt wurde. Vom Filter 2 steht in Näherung der Schätzfehler Δϕ in der Form des Signals e alswhere n A T A was replaced by the period T p . The filter 2 approximates the estimation error Δϕ in the form of the signal e as

e(m) = -b₁(m) ≈ a₁/2 (Δϕ(m) + Δϕ(m -1))e (m) = -b₁ (m) ≈ a₁ / 2 (Δϕ (m) + Δϕ (m -1))

zur Verfügung. Hiermit läßt sich für das Reglergesetz ein Ansatz mit einem PI-Glied machen:to disposal. This allows an approach for the regulator law make a PI link:

Tp(m) = Tp(m - 1) + K(e(m) - βe(m - 1)),T p (m) = T p (m - 1) + K (e (m) - βe (m - 1)),

wobei mit K der Reglerverstärkungsfaktor und mit β die Reglernullstelle bezeichnet sind. Die eigentlich benötigte Abtastperiode TA folgt hieraus nachwhere K is the controller gain factor and β is the controller zero. The sampling period T A actually required follows from this

Die Übertragung dieser Gleichungen in den z-Bereich ergibt:Transferring these equations to the z range gives:

Durch Einsetzen erhält man für Δϕ(z)By inserting one obtains for Δϕ (z)

Zu beachten ist, daß die gesamte Regelkreisverstärkung vom Produkt ωKa₁ abhängt, die folglich nicht nur von der Reglerverstärkung K, sondern auch von der Frequenz ω und der Amplitude a₁ bestimmt wird.It should be noted that the entire control loop gain is from the product ωKa ₁ depends not only on the controller gain K, but also determined by the frequency ω and the amplitude a₁ becomes.

Ändern sich Amplitude oder Frequenz in weiten Bereichen, ist es sinnvoll, die Reglerverstärkung dieser Veränderung anzupassen. Wird die Grundschwingungsamplitude ebenfalls ermittelt, kann mit â₁ und =ϕinc/TA- die Anpassung überIf the amplitude or frequency change over a wide range, it makes sense to adapt the controller gain to this change. If the fundamental vibration amplitude is also determined, the adjustment can be made with â₁ and = ϕ inc / T A

erreicht werden, wenn K₀ die für die Amplitude a₁₀ und die Frequenz ω₀ festgelegte Reglerverstärkung ist.can be achieved if K₀ for the amplitude a₁₀ and the frequency ω₀ is the specified controller gain.

Günstig ist es, als Verstärkung und ReglernullstelleIt is cheap, as a reinforcement and controller zero point

undand

β = 0,8 ± 0,1β = 0.8 ± 0.1

zu wählen. Dadurch wird eine gleichmäßige Dämpfung aller Pole bei gleichzeitig geringem Überschwingen erreicht.to choose. This results in an even damping of all poles low overshoot achieved at the same time.

Während des Einschwingens der PLL können die Phasenschätzwerte noch mit starken Fehlern behaftet sein. Eine Regelung eines Umrichters, die sich auf diese Werte verläßt, kann dadurch erhebliche Stromspitzen verursachen. Die PLL sollte daher ein Signal zur Verfügung stellen, welches angibt, wann Phasen- und Amplitudenwerte als zuverlässig gelten können. During the settling of the PLL, the phase estimates can still to be flawed. A control of an inverter relying on these values can result in significant current peaks cause. The PLL should therefore provide a signal which indicates when phase and amplitude values are reliable can apply.  

Bestimmt man aus den ermittelten Schätzwerten und â₁ eine SchätzungOne determines from the determined estimated values and an estimate

û(k) = â₁(k)sin -(k)û (k) = â₁ (k) sin - (k)

für das periodische Eingangssignal u, kann man über die Differenzfor the periodic input signal u, one can see the difference

Δu(k) = û(k) - u(k)Δu (k) = û (k) - u (k)

die Güte der Schätzung kontrollieren. Δu(k) sollte für eine bestimmte Zeit (denkbar ist eine Periode, also nA Schritte) innerhalb eines geeignet zu wählenden Toleranzbandes liegen, bevor Phasenlage und Amplitude einer nachgeordneten Regelung tatsächlich vorgegeben werden.control the quality of the estimate. Δu (k) should lie within a suitable tolerance band for a certain time (a period is conceivable, ie n A steps) before the phase position and amplitude of a downstream regulation are actually specified.

Umgekehrt sollte nicht eine einzelne Abweichung zum Löschen des Signals führen, da Meßstörungen nicht völlig auszuschließen sind. Liegen jedoch mehrere Werte Δu(k) außerhalb der Toleranz, wird das Signal weggenommen und erst wieder gesetzt, wenn die oben beschriebene Bedingung erfüllt ist.Conversely, there shouldn't be a single deviation to clear the signal cause measurement errors cannot be completely ruled out. Lie however, several values Δu (k) outside the tolerance will result in the signal removed and only set again when the condition described above is satisfied.

Werden neben der Grundschwingung auch Oberschwingungen erfaßt, sollten diese in û(k) aufgenommen werden, zum Beispiel über eine Erweiterung um die dritte Harmonische:If, in addition to the fundamental, harmonics are also recorded, these should be included in û (k), for example by adding the third harmonic:

û(k) = â₁(k) sin (k).
-
û (k) = â₁ (k) sin (k).
-

Dadurch kann das Toleranzband entsprechend kleiner gewählt werden.As a result, the tolerance band can be chosen to be correspondingly smaller.

Weiterhin ist es möglich, um q Schritte vorauseilende Schätzwerte (Prädiktionswerte) des Eingangssignals nachIt is also possible to estimate values (prediction values) leading q steps of the input signal

û(k+q) = â₁(k) sin (k) + qϕinc)+ â₃(k) sin 3(k) + qϕinc)+ ₃(k)sin 3(k) + qϕinc)û (k + q) = â₁ (k) sin (k) + qϕ inc ) + â₃ (k) sin 3 (k) + qϕ inc ) + ₃ (k) sin 3 (k) + qϕ inc )

zu ermitteln und einer nachgeordneten Regelung zur Verbesserung ihrer Regeleigenschaften diese Prädiktionswerte zur Verfügung zu stellen.to determine and a subordinate scheme to improve their Control properties to provide these prediction values.

Claims (13)

1. Verfahren zur digitalen Ermittlung der Phasenlage und der Amplitude eines periodischen Signals, dessen Frequenz und Amplitude zeitlichen Schwankungen unterliegen können, über eine phasenstarre Regelschleife (PLL(Phase-Locked Loop)) für bestimmte Zeitpunkte gekennzeichnet durch eine mit dem periodischen Signal synchronisierte zeitdiskrete Abtastung des periodischen Signals derart, daß je Periode eine stets gleichbleibende ganze Zahl nA von Meßwertabtastungen vorgenommen wird und eine gleichbleibende ganze Zahl nA von Phasenschätzwerten zur Verfügung gestellt wird, indem die Abtastfrequenz bzw. die Abtastperiode mit einer Rückkopplung der schwankenden Frequenz des Eingangssignals nachgeführt wird.1. Method for digitally determining the phase position and the amplitude of a periodic signal, the frequency and amplitude of which can be subject to fluctuations in time, via a phase-locked loop (PLL (Phase-Locked Loop)) for specific points in time, characterized by a time-discrete sampling synchronized with the periodic signal of the periodic signal in such a way that a constant integer n A of measured value samples is carried out per period and a constant integer n A of phase estimates is made available by tracking the sampling frequency or the sampling period with a feedback of the fluctuating frequency of the input signal . 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastwerte einer Fourieranalyse unterworfen werden und aus dem dabei gewonnenen Koeffizienten des Kosinusgliedes für die Grundschwingung die Phasenlage der Grundschwingung des periodischen Signals bestimmt wird.2. The method according to claim 1, characterized, that the samples are subjected to a Fourier analysis and off the coefficient of the cosine element obtained for the fundamental the phase position of the fundamental of the periodic signal is determined. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich aus dem Koeffizienten des Sinusgliedes für die Grundschwingung bei der Fourieranalyse die Amplitude der Grundschwingung des periodischen Signals ermittelt wird.3. The method according to claim 2, characterized, that in addition from the coefficient of the sine element for the fundamental in the Fourier analysis the amplitude of the fundamental of the periodic signal is determined. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastperiode über eine Periode des Eingangssignals konstant gehalten wird.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized, that the sampling period is constant over a period of the input signal is held. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastperiode lediglich jeweils über eine Halbperiode des Eingangssignals konstant gehalten wird. 5. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized, that the sampling period only over a half period of the input signal is kept constant.   6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastperiode TA auf die vorgebbare ganze Zahl nA von Abtastungen pro Periode (bzw. Halbperiode) mit einer PI-Regelung ausgeregelt wird, die die Übertragungsfunktion Tp(m) = nA · TA(m) = Tp(m - 1) + K(e(m) - βe(m - 1))aufweist, wobei mit e der Phasenfehler als Regeleingangsgröße, m die Indexzahl der Periode, K die Reglerverstärkung, β die Reglernullstelle und Tp die Periode des Eingangssignals bezeichnet sind.6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the sampling period T A to the predeterminable integer n A of samples per period (or half-period) is corrected with a PI control that the transfer function T p (m ) = n A · T A (m) = T p (m - 1) + K (e (m) - βe (m - 1), comprising) eluting with e of the phase error as the control input, m is the index number of the period, K the controller gain, β the controller zero point and T p the period of the input signal. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Reglerparameter und/oder β=0,8±0,1 gewählt werden, wobei a₁₀ die voraussichtliche Grundschwingungsamplitude und ω₀ die voraussichtliche Frequenz des Eingangssignals ist.7. The method according to claim 6, characterized in that as a controller parameter and / or β = 0.8 ± 0.1 can be selected, with a₁₀ the expected fundamental vibration amplitude and ω₀ the expected frequency of the input signal. 8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Reglerverstärkung K amplituden- und frequenzabhängig angepaßt wird. 8. The method according to claim 6 or 7, characterized, that the controller gain K is adjusted depending on the amplitude and frequency becomes.   9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Fourier-Koeffizienten von insgesamt p Eingangsgrößen eines mehrphasigen Systems, dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und weiteren p-1 Reglern die Phasenlagen der p Eingangsgrößen und die Amplituden der Grundschwingungen ermittelt werden.9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized, that with the Fourier coefficients of a total of p input quantities of a multi-phase system, the method according to one of the claims 1 to 8 and other p-1 controllers the phase positions of the p input variables and determined the amplitudes of the fundamental vibrations will. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich aus den Koeffizienten der Kosinus- und/oder Sinusglieder für die Oberschwingungen bei der Fourieranalyse die Phasenlagen und/oder die Amplituden der Oberschwingungen des periodischen Signals ermittelt werden.10. The method according to any one of claims 2 to 9, characterized, that in addition from the coefficients of the cosine and / or sine terms the phase positions for the harmonics in Fourier analysis and / or the amplitudes of the harmonics of the periodic Signal can be determined. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß während des Einschwingvorgangs der phasenstarren Regelschleife die Differenz zwischen dem Abtastwert des periodischen Signals zum Abtastzeitpunkt und dem aus dem vorherigen Abtastzeitpunkt gewonnenen, vorausbestimmten Wert des periodischen Signals überwacht wird und die ermittelte Phasenlage und/oder Amplitude erst dann einer nachgeordneten Regelung als Regelgröße zugeführt wird, wenn die Differenz eine vorgegebene Toleranzbreite unterschreitet.11. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized, that during the settling process of the phase-locked loop the difference between the sample of the periodic signal Sampling time and the one obtained from the previous sampling time predetermined value of the periodic signal is monitored and the determined phase position and / or amplitude is then fed to a downstream regulation as a controlled variable, if the difference falls below a specified tolerance range. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß aufgrund der Phasen- und Amplitudenschätzwerte von Grund- und Oberschwingungen ein oder mehrere Schritte vorauseilende Prädiktionswerte des Eingangssignals ermittelt werden.12. The method according to any one of claims 1 to 11, characterized, that based on the phase and amplitude estimates of basic and Prediction values leading one or more steps in harmonics of the input signal can be determined. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch die Anwendung bei der zeitdiskreten Regelung von Vierquadrantenstellern.13. The method according to any one of claims 1 to 12, characterized by the use of time discrete Regulation of four quadrant units.
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