TWI821789B - 具鎖相迴路機制之低通濾波系統 - Google Patents

具鎖相迴路機制之低通濾波系統 Download PDF

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Abstract

一種具鎖相迴路機制之低通濾波系統，包含：一帕克轉換電路、第一低通濾波器、第二低通濾波器、一反帕克轉換電路、一鎖相迴路濾波器及一壓控振盪器。帕克轉換電路、第一低通濾波器、第二低通濾波器及反帕克轉換電路形成鎖相迴路的相位偵測器，由於本發明的低通濾波系統具有鎖相迴路機制，使得輸出訊號仍能保持原有交流輸入訊號的相位與振幅。

Description

具鎖相迴路機制之低通濾波系統
本發明相關於一種低通濾波器，特別是相關於一種具鎖相迴路機制之低通濾波系統。
一般低通濾波器的功能為濾除交流輸入訊號的高頻雜訊，保留該交流輸入訊號的原來頻率的成分。然而交流輸入訊號經低通濾波器濾波之後，輸出訊號之相位較原來交流輸入訊號落後，且其振幅也比原來的交流輸入訊號衰減。這對於一個交流輸入訊號的擷取，將形成缺失。
因此，本發明的目的即在提供一種具鎖相迴路機制之低通濾波系統，能避免輸出訊號之相位落後，且抑制振幅的衰減。
本發明為解決習知技術之問題所採用之技術手段係提供一種具鎖相迴路機制之低通濾波系統，包含：一帕克轉換電路，接收外部的一交流輸入訊號，並將該交流輸入訊號經帕克轉換而轉換成一d軸分量訊號以及一q軸分量訊號；一第一低通濾波器，連接於該帕克轉換電路，該第一低通濾波器對該d軸分量訊號進行低通濾波；一第二低通濾波器，連接於該帕克轉換電路，該第二低通濾波器對該q軸分量訊號進行低通濾波；一反帕克轉換電路，連接於該第 一低通濾波器及該第二低通濾波器，該反帕克轉換電路將經低通濾波的該d軸分量訊號以及該q軸分量訊號經反帕克轉換而轉換成一輸出訊號；一鎖相迴路濾波器，連接於該帕克轉換電路，該鎖相迴路濾波器將該q軸分量訊號進行低通濾波；以及一壓控振盪器，連接於該鎖相迴路濾波器、該帕克轉換電路及該反帕克轉換電路，並接收經該鎖相迴路濾波器濾波的該q軸分量訊號，並產生一相位角訊號回饋至該帕克轉換電路及該反帕克轉換電路，該帕克轉換電路及該反帕克轉換電路依據該相位角訊號而控制d-q座標的相位角，其中，該帕克轉換電路、該第一低通濾波器、該第二低通濾波器及該反帕克轉換電路形成一鎖相迴路的相位偵測器。
在本發明的一實施例中係提供一種具鎖相迴路機制之低通濾波系統，該鎖相迴路濾波器為PI控制器。
在本發明的一實施例中係提供一種具鎖相迴路機制之低通濾波系統，該帕克轉換電路的一β輸入端為連接於該反帕克轉換電路的一β輸出端。
經由本發明的具鎖相迴路機制之低通濾波系統所採用之技術手段，帕克轉換電路是以帕克轉換的方式，將交流輸入訊號轉換成d軸分量訊號及q軸分量訊號。而q軸分量訊號的大小相關於交流輸入訊號與d-q座標之間相位角的差距，使得帕克轉換電路、第一低通濾波器、第二低通濾波器及反帕克轉換電路形成鎖相迴路的相位偵測器。將相位偵測器結合鎖相迴路濾波器及壓控振盪器，使得本發明的低通濾波系統具有鎖相迴路機制。藉此，本發明的低通濾波系統在穩態時，輸出訊號仍能保持原有交流輸入訊號的相位與振幅。
100:低通濾波系統
1:帕克轉換電路
2:第一低通濾波器
3:第二低通濾波器
4:反帕克轉換電路
5:鎖相迴路濾波器
6:壓控振盪器
7:相位偵測器
LPF:低通濾波器
v1:輸出訊號
vd:d軸分量訊號
vout:輸出訊號
vq:q軸分量訊號
vs:交流輸入訊號
vsyn:交流訊號
θ:相位角訊號
〔第1圖〕為顯示根據本發明的一實施例的具鎖相迴路機制之低通濾波系統的方塊圖；〔第2圖〕為顯示α-β座標及d-q座標的關係圖；〔第3圖〕為顯示根據本發明的實施例的具鎖相迴路機制之低通濾波系統的模擬電路圖；〔第4圖〕為顯示根據本發明的實施例的具鎖相迴路機制之低通濾波系統與一般低通濾波器的模擬電路圖；〔第5圖〕為顯示根據本發明的實施例的具鎖相迴路機制之低通濾波系統與一般低通濾波器比較的模擬波形圖。
以下根據第1圖至第5圖，而說明本發明的實施方式。該說明並非為限制本發明的實施方式，而為本發明之實施例的一種。
如第1圖及第3圖所示，依據本發明的一實施例的一具鎖相迴路機制之低通濾波系統100，包含：一帕克轉換電路1、一第一低通濾波器2、一第二低通濾波器3、一反帕克轉換電路4、一鎖相迴路濾波器5以及一壓控振盪器6。
其中，帕克轉換電路1、第一低通濾波器2、第二低通濾波器3及反帕克轉換電路4形成一鎖相迴路的相位偵測器7。相位偵測器7連接與鎖相迴路濾波器5以及壓控振盪器6，使得本發明的低通濾波系統100具有鎖相迴路(phase-locked loop)機制。藉此，本發明的低通濾波系統100在穩態時，輸出訊號vout仍能保持原有交流輸入訊號vs的相位與振幅。
詳細而言，帕克轉換電路1是依帕克轉換(Park transformation)原理運作的電路。如第2圖所示，α-β座標為一靜止座標，一交流訊號vsyn在α-β座 標表示為以角速度ω旋轉的線段，交流訊號vsyn的峰值為Vm，相位角為θ。而d-q座標為隨著交流訊號vsyn同步旋轉的座標。d-q座標與α-β座標之間的夾角為θe。
交流訊號vsyn在α-β座標的α軸及β軸的分量表示為
Figure 110142501-A0305-02-0006-1
交流訊號vsyn在d-q座標的d軸及q軸的分量表示為
Figure 110142501-A0305-02-0006-2
在本實施例中，帕克轉換是以數位方式來實現，帕克轉換電路1具有一類比數位轉換器，以將帶有高頻雜訊的交流輸入訊號vs轉換成數位訊號。如第1圖及第3圖所示，帕克轉換電路1的α輸入端接收外部的交流輸入訊號vs，並將交流輸入訊號vs經帕克轉換而轉換成一d軸分量訊號vd以及一q軸分量訊號vq。d軸分量訊號vd以及q軸分量訊號vq為帶有高頻雜訊。其中，交流輸入訊號vs為【數學式3】vs=Vm cos ωt=Vm cos θ=vα
由數學式1與數學式3帶入數學式2，可得【數學式4】vd=Vm cos θ cos θe+vm sin θ sin θe=Vm cos(θ-θe)
【數學式5】vq=-Vm cos θ sin θe+vm sin θ cos θe=Vm sin(θ-θe)
當θe
Figure 110142501-A0305-02-0006-9
θ，則數學式4及數學式5可改寫成【數學式6】vd=Vm
【數學式7】 vq=Vm(θ-θe)
q軸分量訊號vq的大小相關於交流輸入訊號與d-q座標之間相位角的差距，使得帕克轉換電路1、第一低通濾波器2、第二低通濾波器3及反帕克轉換電路4形成鎖相迴路的相位偵測器7。由數學式7可知，當θe=θ時則vq=0。換言之，d-q座標的d軸此時為鎖定在交流訊號vsyn。
如第1圖及第3圖所示，第一低通濾波器2連接於帕克轉換電路1的d輸出端，第一低通濾波器2對d軸分量訊號vd進行低通濾波，而得出v’d。
如第1圖及第3圖所示，第二低通濾波器3連接於帕克轉換電路1的q輸出端，第二低通濾波器3對q軸分量訊號vq進行低通濾波，而得出v’q。
如第1圖及第3圖所示，反帕克轉換電路4是依反帕克轉換(Inverse Park transformation)原理運作的電路。反帕克轉換電路4的d輸入端及q輸入端分別連接於第一低通濾波器2及第二低通濾波器3。反帕克轉換電路4將經低通濾波的d軸分量訊號v’d以及q軸分量訊號v’q經反帕克轉換而轉換成一輸出訊號vout=v’α。反帕克轉換電路4的輸出訊號vout即為無相位延遲與振幅衰減之濾波數位訊號，亦可將該數位訊號經由一數位類比轉換器轉換成類比的輸出訊號。反帕克轉換電路4的一β輸出端為連接於帕克轉換電路1的一β輸入端。
Figure 110142501-A0305-02-0007-3
如第1圖及第3圖所示，鎖相迴路濾波器5連接於帕克轉換電路1的q輸出端。鎖相迴路濾波器5將q軸分量訊號vq進行低通濾波。在本實施例中，鎖相迴路濾波器5為PI控制器(proportional-integral controller)。
如第1圖及第3圖所示，壓控振盪器6連接於鎖相迴路濾波器5、帕克轉換電路1及反帕克轉換電路4，並接收經鎖相迴路濾波器濾波的q軸分量訊號 vq，並產生一相位角訊號θ回饋至帕克轉換電路1的θ輸入端及反帕克轉換電路4的θ輸入端。帕克轉換電路1及該反帕克轉換電路4依據相位角訊號θ而控制d-q座標的相位角θe趨近交流訊號vsyn相位角θ。將相位偵測器7結合鎖相迴路濾波器5及壓控振盪器6，使得本發明的低通濾波系統100具有鎖相迴路機制。藉此，本發明的低通濾波系統100在穩態時，輸出訊號vout仍能保持原有交流輸入訊號vs的相位與振幅。
如第4圖及第5圖所示，本發明的低通濾波系統100以及一低通濾波器LPF將帶雜訊的弦波訊號作為交流輸入訊號vs。在經數個週期而達到穩態後，低通濾波器LPF的輸出訊號v1的相位較原來交流輸入訊號vs落後，且其振幅也比原來的交流輸入訊號vs衰減。而本發明的低通濾波系統100的輸出訊號vout與原來交流輸入訊號vs相比，因鎖向迴路機制使得相位為無落後，且抑制振幅的衰減現象。
以上之敘述以及說明僅為本發明之較佳實施例之說明，對於此項技術具有通常知識者當可依據以下所界定申請專利範圍以及上述之說明而作其他之修改，惟此些修改仍應是為本發明之發明精神而在本發明之權利範圍中。
100:低通濾波系統
1:帕克轉換電路
2:第一低通濾波器
3:第二低通濾波器
4:反帕克轉換電路
5:鎖相迴路濾波器
6:壓控振盪器
7:相位偵測器
vd:d軸分量訊號
vout:輸出訊號
vq:q軸分量訊號
vs:交流輸入訊號
θ:相位角訊號

Claims (2)

  1. 一種具鎖相迴路機制之低通濾波系統，包含：一帕克轉換電路，接收外部的一交流輸入訊號，並將該交流輸入訊號經帕克轉換而轉換成一d軸分量訊號以及一q軸分量訊號；一第一低通濾波器，連接於該帕克轉換電路，該第一低通濾波器對該d軸分量訊號進行低通濾波；一第二低通濾波器，連接於該帕克轉換電路，該第二低通濾波器對該q軸分量訊號進行低通濾波；一反帕克轉換電路，連接於該第一低通濾波器及該第二低通濾波器，該反帕克轉換電路將經低通濾波的該d軸分量訊號以及該q軸分量訊號經反帕克轉換而轉換成一輸出訊號，該帕克轉換電路、該第一低通濾波器、該第二低通濾波器及該反帕克轉換電路形成一鎖相迴路的相位偵測器；一鎖相迴路濾波器，直接連接於該相位偵測器的該帕克轉換電路，該鎖相迴路濾波器將該q軸分量訊號進行低通濾波，該鎖相迴路濾波器為比例積分控制器；以及一壓控振盪器，連接於該鎖相迴路濾波器、該帕克轉換電路及該反帕克轉換電路，並接收經該鎖相迴路濾波器濾波的該q軸分量訊號，並產生一相位角訊號回饋至該帕克轉換電路及該反帕克轉換電路，該帕克轉換電路及該反帕克轉換電路依據該相位角訊號而控制d-q座標的相位角。
  2. 如請求項1之低通濾波系統，其中該帕克轉換電路的一β輸入端為連接於該反帕克轉換電路的一β輸出端。
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