[发明专利]一种基于谐振滤波的数字锁相环

说明书

技术领域

本发明属于数字锁相技术领域，具体涉及一种基于谐振滤波的数字锁相环。

背景技术

锁相环是一种利用反馈控制原理实现的频率和相位同步的技术，其作用是使模块的输出与其外部的输入信号保持相位上的同步。当输入信号的频率或相位发生变化时，锁相环可以检测到这种变化，并通过压控振荡器调节输出频率，直到两者重新同步。锁相环技术在通信、导航、广播与电视、数字信号处理等领域得到广泛应用。

锁相环可以分为模拟锁相环和数字锁相环，相对而言数字锁相环的优点多，性能稳定、误差小。如图1所示，现有技术的数字锁相环模块是由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器和分频器组成的一个反馈回路。鉴相器用于检测出参考时钟与分频器输出的反馈信号的相位差；环路滤波器一般为低通滤波器，其作用是将鉴相器输出的含有纹波的信号平均化；压控振荡器是一种频率可变的振荡器，根据输入的直流信号控制振荡频率，其给出的信号一部分作为输出，另一部分通过分频器分频后，再输出到鉴相器与参考时钟输入进行相位比较。为保持频率不变，要求相位差不发生改变，若相位差有变化，则锁相环的电压输出端的电压发生变化，再反馈控制压控振荡器，直到相位差恢复，可以实现输出信号的N倍频，达到锁相的目的。目前，数字锁相环主要分为基于单同步坐标系的数字锁相环和基于双同步坐标变换的数字锁相环两类。

基于单同步坐标系的数字锁相环，该锁相环是基于跟踪电网电压的正序分量而提出的检测算法，在电网电压平衡时，该锁相环能快速有效地检测电网电压相位、频率。如图2所示，该锁相环的原理为：三相输入电压经单dq坐标变换后得到u_d和u_q，针对u_q的闭环控制采用PI控制器来消除偏差。当u_q＝0时，即可实现输出相位与电网电压相位同步。由于采用闭环控制，可获得良好的锁相性能。该算法在三相电压平衡的条件下，能取得很好的效果，但是当三相电压不平衡时，相位跟踪效果较差。

基于双同步坐标变换的数字锁相环，该锁相环是基于跟踪电网电压的正序分量而提出的检测算法，无论电网电压是否平衡，该算法都能快速检测出电网电压正序分量的相位、频率。如图3所示，该锁相环的工作原理为：将三相电压信号分别进行正序、负序两个坐标轴下的dq转换，并利用负序坐标轴下的转换结果消除正序坐标轴转换时产生的二倍频分量，从而抑制了负序分量对锁相结果的影响。该算法的计算量颇大，在需要实时控制的系统中，影响系统控制的实时性。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种基于谐振滤波的数字锁相环，当三相电压不平衡时能有效跟踪出其正序相位与正负序分量之和的相位，且运算量较小。

一种基于谐振滤波的数字锁相环，包括：鉴相器、数字滤波器、全波积分器和正序积分器；其中：

所述的鉴相器用于根据全波积分器输出的反馈相位对三相电压进行dq变换(同步旋转坐标变换)，得到d轴分量和q轴分量；

所述的数字滤波器用于对所述的q轴分量进行带通滤波，得到全波控制量和正序控制量；

所述的全波积分器用于对所述的全波控制量进行积分，产生反馈相位；

所述的正序积分器用于对所述的正序控制量进行积分，输出正序相位。

所述的全波积分器和正序积分器的传递函数均为1/s，s为拉氏算子。

所述的数字滤波器包括：两个加法器、一减法器、一积分控制器、一比例控制器和一谐振器；其中：减法器的减数端与鉴相器相连接收q轴分量，减法器的被减数端接收给定的参考分量，减法器的输出端与积分控制器的输入端、比例控制器的输入端和谐振器的输入端相连，积分控制器的输出端与加法器J1的第一输入端和加法器J2的第一输入端相连，比例控制器的输出端与加法器J1的第二输入端和加法器J2的第二输入端相连，谐振器的输出端与加法器J1的第三输入端相连，加法器J1的第四输入端和加法器J2的第三输入端均接收给定的相位增量，加法器J1的输出端与全波积分器相连且输出全波控制量，加法器J2的输出端与正序积分器相连且输出正序控制量。

所述的谐振器的传递函数如下：