軟件鎖相技術(shù)在柴油發(fā)電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用
軟件鎖相技術(shù)在柴油發(fā)電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用
摘要:闡述了鎖相技術(shù)的基本原理,根據(jù)硬件鎖相技術(shù)的特點(diǎn),建立了軟件鎖相算法的數(shù)學(xué)模型,并給出了該技術(shù)的基本軟件算法。將該技術(shù)應(yīng)用到柴油發(fā)電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)中,通過測試結(jié)果證明了該技術(shù)的可行性和有效性。在機(jī)械保溫車輛段中,柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)出的電能全部供給保溫車內(nèi)的電氣設(shè)備使用,而這些設(shè)備均工作在工頻條件下,這就要求發(fā)電機(jī)組發(fā)出的三相交流電有相當(dāng)高的頻率穩(wěn)定性。而實(shí)際上,柴油發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能,其交流電參數(shù)中的頻率并不是固定不變的,正常的波動范圍為49.5Hz~50.5Hz;當(dāng)負(fù)載產(chǎn)生大范圍波動時,頻率也會隨之產(chǎn)生大范圍的波動。在檢測過程中,對于這種大范圍的波動,工作人員有時不能正確判斷其是否是諧波引起的,從而給工作人員帶來額外勞動。為了能實(shí)時監(jiān)控發(fā)電機(jī)組發(fā)出的電能是否符合正常標(biāo)準(zhǔn),CPU必須清楚當(dāng)前采集的交流模擬量頻率的變化情況,并能有效地濾掉諧波,對所測的頻率進(jìn)行實(shí)時處理,確保采樣頻率與實(shí)際信號頻率相同。
1 鎖相基本原理
1.1 硬件鎖相原理
將三相電路的電壓信號及電流信號經(jīng)過電壓互感器和電流互感器變成幅值為-5V~ 5V的交流輸入信號,為了使采樣頻率"跟隨"輸入信號頻率的變化,一般采用圖1所示的傳統(tǒng)反饋系統(tǒng)。
由圖1可知:
△f=f(s)/1 F(s)
其中,F(xiàn)(s)=G(s)H(s)
=[k(1 STa)(1 STb)]/[Sn(1 ST1)(1 ST2)] (1)
考慮到發(fā)電機(jī)發(fā)出的電信號是漸變信號,仍設(shè):
f=atl(t)
則由拉氏變換終值定理得到穩(wěn)態(tài)時誤差為:
當(dāng)n=1時,lim△f=a/k;當(dāng)n≥2時,lim△f=0。式(2)表明,要使采樣頻率跟蹤系統(tǒng)頻率,需使開環(huán)傳遞函數(shù)F(S)中的n≥2。兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)定性,取n=2,并取反饋傳遞函數(shù)H(S)二1/N(N為分頻系數(shù),信號比較穩(wěn)定時可以取1),則采樣頻率f0就可以跟蹤系統(tǒng)頻率f的'變化。
圖1所示的控制環(huán)節(jié)可以很方便地用鎖相環(huán)硬件電路來實(shí)現(xiàn),其原理如圖2所示。圖中,PD為相差比較器,其傳遞函數(shù)為ud=kp·△θ;VCO為壓控振蕩器,其傳遞函數(shù)為fVCO=(kvuc)/s.
取LPF(低通濾波器)的傳遞函數(shù)為:
1.2 軟件鎖相數(shù)學(xué)模型
軟件鎖相原理是用計算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)上述鎖相過程。將圖2的分頻系數(shù)N取1,設(shè)輸入u=Mcosθ,輸出u0=M0cosθ0,其中θ和θ0是隨時間而變化的量,則:
ud=Mcosθ·M0cosθ0=(MM0)/2[cos(θ-θ0) cos(θ θ0)] (4)
式(4)中第二項是一個倍頻的交流成分,若θ-θ0是常量,第一項則為直流成分。而且,若θ-θ0接近于-π/2,則cos(θ-θ0)=sin(θ-θ0 π/2)≈θ-θ0 π/2。故對于ud的直流成分來說,模擬相乘器相當(dāng)于一個相位的減法器。 在壓控振蕩器中,因頻率可以是變量,故它們不是簡單的乘以時間的關(guān)系,而是對時間的積分。除壓控振蕩器的積分作用外,濾波器環(huán)節(jié)中還需有積分項,這樣才可以使ud的直流成分穩(wěn)定為0,從而θ-θ0。的差可以穩(wěn)定為π/2。uc的值由濾波器中的積分項保持作用維持。另外,濾波器中若只有積分項,將出現(xiàn)等幅振蕩,故需要增加一個比例項。其數(shù)學(xué)模型如圖3所示。
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