一种单相电压数字锁相方法技术

本发明专利技术涉及一种单相电压数字锁相方法，构建一个与待测电压信号相似的预设电平信号；在控制过程中，根据PI控制器输出的增量角频率与基准角频率累加获取的角频率调整预设频率，控制使得两个电压信号对应的电平矢量的相位差分量趋近为0，在控制达到稳态时，输出的相位角跟踪待测信号的相位，完成锁相功能。本发明专利技术利用待测电压信号的当前采样点和之前的第k‑n个采样点构成电平矢量，控制过程中，只需保留n个采样点，当n=1时，只需保留1个采样周期的采样值，占用的存储空间极少，且计算简便实用，可应用于产品开发。

Single phase voltage digital phase locking method

The invention relates to a single-phase voltage digital phase-locked method to construct a similar voltage signal to be measured the preset level signal; in the control process, according to the angular frequency adjustment incremental PI controller output angular frequency and the reference angle frequency cumulation acquisition preset frequency, control of the phase two level vector voltage signal corresponding to the difference component reaching 0, in the control at steady state, the phase angle phase output tracking of the signal, complete phase lock function. The invention uses the sampling points of the measured voltage signal and the K before n sampling points constitute the level vector control process, only need to keep the N sampling points, when n=1, only need to keep 1 sampling cycle value, storage space is little, and the calculation is simple and practical. Can be applied to product development.

【技术实现步骤摘要】
一种单相电压数字锁相方法
本专利技术涉及一种单相电压数字锁相方法。
技术介绍
三相电源由于三相电压在空间形成矢量形式，则可以方便的利用空间坐标旋转变换等数学工具，配合数字锁相环原理形成三相数字逆变电源锁相技术。然而，对于单相电源电压，由于电源电压只有一相，难以直接利用空间矢量的特点进行数字锁相环控制。现有的单相电源电压的鉴相、锁相环控制中，常见的是将待测电压延时90°构成正交的两相电压信号，待测电压和经延时的电压信号正好在α-β坐标系中构成互相垂直的两相信号，在平面旋转后构成矢量圆，然后通过平面坐标旋转变换，实现单相电压鉴相。这种方法计算简单，但至少需要保留四分之一周期以上的数据，系统内存占用量大。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种单相电压数字锁相方法，以克服现有技术中存在的缺陷。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种单相电压数字锁相方法，包括以下步骤：步骤S1：将待测电压信号u0以采样频率fs进行离散采样，并构建电平矢量其中，u0(k)表示所述待测电压信号u0在当前采样周期内的采样值，u0(k-n)表示所述待测电压信号u0在当前采样周期之前第n个采样周期的采样值，n为正整数；步骤S2：以fs为采样频率，在当前采样周期中构建一个频率为f1的电平信号u1，并构建一电平矢量其中，u1(k)表示在当前采样周期内对应的构造值，u1(k-n)表示所述电平信号u1在当前采样周期之前第n个采样周期对应的构造值；步骤S3：将电平矢量和电平矢量作正交积运算获取相位差分量Vq；将所得的相位差分量Vq输入一PI控制器，并通过该PI控制器控制环路，将相位差分量Vq调节趋向0；将所述PI控制器输出的增量角频率Δω和一基准角频率ω0累加获得一角频率ω'，并经一积分器积分输出相位角θ'，且达到稳态后，所述输出相位角θ'即为待测电压信号的相位；其中，所述基准角频率ω0为所述待测电压信号u0的角频率，所述步骤S2中频率在本专利技术一实施例中，在所述步骤S2中，所述电平信号u1为正弦电平信号或余弦电平信号。在本专利技术一实施例中，在所述步骤S1中，所述n的取值范围为：1≤n≤10。在本专利技术一实施例中，在所述步骤S2中，所述f1的初始值为在本专利技术一实施例中，记所述待测电压信号u0的频率为f0，且所述采样频率fs的取值范围如下：fs≥100f0。在本专利技术一实施例中，在所述步骤S3中，所述电平矢量和电平矢量的正交积运算如下：相较于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术提出的一种单相电压数字锁相方法，构建一个与待测电压信号相似、频率为f1的正弦电平信号，f1的初始值为在控制过程中，根据角频率ω'(或相位角θ')调整f1，控制使得两个矢量的相位差分量Vq趋近为0，在控制达到稳态时，输出的相位角θ'跟踪待测信号的相位，完成锁相功能。本专利技术利用待测电压信号的当前采样点u0(k)和之前的第k-n个采样点u0(k-n)构成电平矢量，控制过程中，只需保留n个采样点，当n＝1时，只需保留1个采样周期的采样值，占用的存储空间极少，且计算简便实用，可应用于产品开发。附图说明图1为本专利技术的控制原理图。图2为本专利技术实施例中的矢量图。图3为本专利技术实施例中的矢量幅值。图4为本专利技术实施例中的矢量相角。图5为本专利技术实施例中的示意图。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术的技术方案进行具体说明。本专利技术一种单相电压数字锁相方法，控制原理如图1所示，包括以下步骤：步骤S1：将待测电压信号u0以采样频率fs进行离散采样，并构建电平矢量其中，u0(k)表示待测电压信号u0在当前采样周期内的采样值，u0(k-n)表示待测电压信号u0在当前采样周期之前第n个采样周期的采样值，n为正整数；优选的，n的取值范围为：1≤n≤10；步骤S2：以fs为采样频率，在采样周期中构造一个频率为f1的正弦或余弦电平信号u1，并构建电平矢量其中，u1(k)表示当前采样周期对应的构造值，u1(k-n)表示电平信号u1在当前采样周期之前第n个采样周期对应的构造值；步骤S3：将电平矢量和电平矢量作正交积运算获取相位差分量Vq，将所得的相位差分量Vq输入一PI控制器，并通过PI控制器控制环路将相位差分量Vq调节趋向0；将PI控制器输出的增量角频率Δω和基准角频率ω0累加获得角频率ω'，经积分器积分输出相位角θ'；达到稳态后，θ'即为待测电压信号的相位，其中，基准角频率ω0为待测电压信号u0的角频率，在步骤S2中，优选的，f1的初始值为进一步的，待测电压信号u0的频率记为f0；较佳的，采样频率fs的取值范围如下：fs≥100f0。为便于计算和具体说明，以及让本领域技术人员理解本专利技术所提出的方法，以下假定待测电压是一个初始相角为0，且不含有谐波分量的正弦电压信号，但本专利技术的待测电压信号不局限于此，同样适用于含有不同次数谐波干扰和/或初始相位角不为0的正弦电压信号，或其他可等效变换为正弦电压信号的待测电压信号。假定待测电压信号的表达式为：u0(t)＝U0∠0°＝U0sin(ω0t)(1)其中，U0为待测电压幅值，f0为待测电压的频率，ω0＝2πf0。记采样频率为fs，则离散采样后的电压信号为：进一步的，利用当前采样周期的电平值与前一采样周期的电平值组成电平矢量，即：则该矢量在平面上形成一个扁圆形轨迹，如图2所示。在本实施例中，令f0＝50Hz，fs＝20Hz，式(3)的矢量幅值和矢量相角分别如图3和图4所示。进一步的，以fs为采样频率，在采样周期中构造一个频率为f1、与待测电压相同的电平信号u1，则当前采样周期构造的电平信号为：进一步的，利用当前构造的电平值与前一采样周期构造的电平值组成电平矢量，即：如图5所示，定性的示意出矢量与矢量矢量与矢量作正交积运算得到相位差分量Vq，如下：进一步的，将得到的Vq输入一PI控制器，PI控制器通过控制环路控制相位差分量Vq调节趋向0，并将输出的增量角频率Δω和一基准角频率ω0累加获得角频率ω'；经一积分器积分输出相位角θ'。由于在控制过程中根据输出的θ'调整频率f1，f1不断趋近待测电压信号u0的频率f0，二者之间误差很小，特别是在控制接近稳态时，可以认为f1≈f0，则上式(7)中忽略不计，则记其中，k表示采样值u0(k)或u1(k)对应的采样周期数，则且处于稳态时，则θ＝θ'(11)或者θ-θ'＝180°(12)因此积分器积分输出的是待测电压信号的相位或与待测信号相位滞后180°的相位。但与待测信号相位滞后180°是一个不稳定平衡点，因此积分器输出的θ'即为待测电压信号的相位θ。以上仅为本专利技术实施例中一个较佳的实施方案。但是，本专利技术并不限于上述实施方案，凡按本专利技术所做的任何均等变化和修饰，所产生的功能作用未超出本方案的范围时，均属于本专利技术的保护范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单相电压数字锁相方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤S1：将待测电压信号u

【技术特征摘要】
1.一种单相电压数字锁相方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤S1：将待测电压信号u0以采样频率fs进行离散采样，并构建电平矢量其中，u0(k)表示所述待测电压信号u0在当前采样周期内的采样值，u0(k-n)表示所述待测电压信号u0在当前采样周期之前第n个采样周期的采样值，n为正整数；步骤S2：以fs为采样频率，在当前采样周期中构建一个频率为f1的电平信号u1，并构建一电平矢量其中，u1(k)表示在当前采样周期内对应的构造值，u1(k-n)表示所述电平信号u1在当前采样周期之前第n个采样周期对应的构造值；步骤S3：将电平矢量和电平矢量作正交积运算获取相位差分量Vq；将所得的相位差分量Vq输入一PI控制器，并通过该PI控制器控制环路，将相位差分量Vq调节趋向0；将所述PI控制器输出的增量角频率Δω和一基准角频率ω0累加获得一角频率ω'，并经一积分器积分输出相位角θ'，且达到稳态后，所述输出...

【专利技术属性】
技术研发人员：易龙强，王定富，蔡钟山，
申请(专利权)人：漳州科华技术有限责任公司，厦门科华恒盛股份有限公司，
类型：发明
国别省市：福建,35