(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 106911329 A(43)申请公布日 2017.06.30
(21)申请号 201710098056.9(22)申请日 2017.02.23
(71)申请人 国网江西省电力公司电力科学研究
院
地址 330096 江西省南昌市民营科技园民
强路88号
申请人 国家电网公司(72)发明人 舒展 程虹 蔡霞 陈波 周宁
苏永春 邹进 余波 郭铁 杨立行 (74)专利代理机构 南昌市平凡知识产权代理事
务所 36122
代理人 姚伯川(51)Int.Cl.
H03L 7/085(2006.01)
权利要求书1页 说明书3页 附图2页
(54)发明名称
一种基于FPGA的单相锁相环
(57)摘要
一种基于FPGA的单相锁相环，采集输电系统中网侧一相电压，令为vi(t)，将vi(t)与控制系统内部同步信号vo(t)相乘进行比较，并将此信号进行滤波，滤除乘法鉴相器输出的二次谐波分量和噪声，求得误差电压信号vdo(t)；然后将误差电压信号vdo(t)经过PI调节得到ve(t)，将ve(t)经过一个递推求平均滤波后求出Δe(t)，再用此Δe(t)算出实时频率f，把得的频率转换成周期，此周期值即认为是控制系统内部同步信号周期值，再把此周期值进行等分，每等分的时刻都对控制系统同步信号进行一次输出，即为实时的相位信息sinθ。本发明利用模拟硬件锁相环原理，实现程序简单，稳定性高，在有谐波干扰的工况下也可稳定有效的运行。
CN 106911329 ACN 106911329 A
权 利 要 求 书
1/1页
1.一种基于FPGA的单相锁相环，其特征在于，所述单相锁相环的锁相步骤如下：(1)将采集到的单相电压信号vi(t)与控制系统内部同步信号vo(t)相乘进行比较，并输出一个对应于两信号相位差的误差电压信号vd(t)；
(2)根据求到的误差电压信号，对误差电压信号进行滤波，滤除乘法鉴相器中的二次谐波分量和噪声；
(3)将处理过得到的误差电压信号经过PI调节得到ve(t)，
将ve(t)经过一个递推求平均滤波后求出Δe(t)，再用此Δe(t)算出实时频率f，从而实现相位角的锁定和得出实时相位信号sinθ；
(4)用Δe(t)算出实时频率f，从而实现相位角的锁定和得出实时相位信号sinθ。2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的单相锁相环，其特征在于，所述步骤(1)中的采集电压与控制系统内部同步信号相乘的表达式如下：
其中：Vi为输入信号的振幅；ωi为输入信号角频率；θi(t)为输入信号以其ωi为参考的瞬时相位角；Vo为控制系统内部同步信号的振幅；ωo为控制系统内部同步信号角频率；为压控振荡器的固有频差；K为乘法器的比例系数。
3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的单相锁相环，其特征在于，所述对误差电压信号进行滤波，采用递推求平均方法来滤除二次谐波，得到vdo(t)＝Vdsin[θ其中,1(t)]；
4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的单相锁相环，其特征在于，所述实现相位角的锁定和得出实时相位信号sinθ的步骤如下：
根据求得的Δe(t)，求出实时系统电压频率；将求得的频率转换成周期，此周期值即认为是控制系统内部同步信号周期值，再把此周期值进行2n等分，每等分的时刻都对控制系统同步信号进行一次输出，即为实时的相位信息sinθ；
f＝Fclk/{2n*[Dpd+Δe(t)]}；
式中Fclk为FPGA系统的输入时钟频率，Dpd为系统常量。5.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的单相锁相环，其特征在于，所述单相锁相环包括采样模块、乘法鉴相器模块、电压差信号滤波模块、PI调节模块、误差信号滤波模块和计算模块；采样模块采集单相电压信号vi(t)，与控制系统内部同步信号vo(t)相乘，在乘法鉴相器模块进行比较后，输出误差电压信号vd(t)；经电压差信号滤波模块对误差电压信号进行滤波；经滤波处理后的误差电压信号经过PI调节模块得到ve(t)；将ve(t)经过误差信号滤波模块滤波后求出Δe(t)；再用此Δe(t)通过计算模块算出实时频率f，从而实现相位角的锁定和得出实时相位信号sinθ。
2
CN 106911329 A
说 明 书
一种基于FPGA的单相锁相环
1/3页
技术领域[0001]本发明涉及一种基于FPGA的单相锁相环，属于电力电子技术领域。
背景技术[0002]随着电力电子技术的深入发展，各种电力电子装置如PWM整流器、静止无功发生器、不间断电源、新能源发电并网装置等的应用更加广泛。这些装置的性能很大程度上依赖于锁相环的工作性能。[0003]单相锁相环的实现方案众多，有过零锁相和瞬时调节锁相等。过零锁相方法简单，通过捕获输入信号的过零点来检测输入信号相位，因其调节速度较慢，当输入信号干扰较大，存在多个过零点时可能会导致锁相失败。瞬时调节锁相实施的方案复杂，消耗过多处理器资源。
发明内容[0004]本发明的目的是，为了解决现有单相锁相环存在的问题，同时考虑到电网中谐波的问题，本发明提出一种基于FPGA的单相锁相环。[0005]实现本发明的技术方案是，一种基于FPGA的单相锁相环，锁相步骤如下：[0006](1)将采集到的单相电压信号vi(t)与控制系统内部同步信号vo(t)相乘进行比较，并输出一个对应于两信号相位差的误差电压信号vd(t)；[0007](2)根据求到的误差电压信号，对误差电压信号进行滤波，滤除乘法鉴相器中的二次谐波分量和噪声；[0008](3)将处理过得到的误差电压信号经过PI调节得到ve(t)，
[0009]
将ve(t)经过一个递推求平均滤波后求出Δe(t)，再用此Δe(t)算出实时频率f，从而实现相位角的锁定和得出实时相位信号sinθ；[0011](4)用Δe(t)算出实时频率f，从而实现相位角的锁定和得出实时相位信号sinθ。[0012]所述步骤(1)中的采集电压与控制系统内部同步信号相乘的表达式如下：
[0013]
[0010]
[0014]
其中：Vi为输入信号的振幅；ωi为输入信号角频率；θi(t)为输入信号以其ωi为参考的瞬时相位角；Vo为控制系统内部同步信号的振幅；ωo为控制系统内部同步信号角频率；
为压控振荡器的固有频差；K为乘法器的比例系数。
[0016]
[0015]
所述对误差电压信号进行滤波，采用递推求平均方法来滤除二次谐波，得到vdo(t)
3
CN 106911329 A
说 明 书
2/3页
＝Vdsin[θ其中，1(t)]；
所述实现相位角的锁定和得出实时相位信号sinθ的步骤如下：[0018]根据求得的Δe(t)，求出实时系统电压频率；将求得的频率转换成周期，此周期值即认为是控制系统内部同步信号周期值，再把此周期值进行2n等分，每等分的时刻都对控制系统同步信号进行一次输出，即为实时的相位信息sinθ；[0019]f＝Fclk/{2n*[Dpd+Δe(t)]}；[0020]式中Fclk为FPGA系统的输入时钟频率，Dpd为系统常量。[0021]所述单相锁相环包括采样模块、乘法鉴相器模块、电压差信号滤波模块、PI调节模块、误差信号滤波模块和计算模块；采样模块采集单相电压信号vi(t)，与控制系统内部同步信号vo(t)相乘，在乘法鉴相器模块进行比较后，输出误差电压信号vd(t)；经电压差信号滤波模块对误差电压信号进行滤波；经滤波处理后的误差电压信号vdo(t)经过PI调节模块得到ve(t)；将ve(t)经过误差信号滤波模块滤波后求出Δe(t)；再用此Δe(t)通过计算模块算出实时频率f，从而实现相位角的锁定和得出实时相位信号sinθ。[0022]本发明的有益效果是，本发明利用模拟硬件锁相环原理设计基于FPGA的单相锁相环，实现程序简单，稳定性高，在有谐波干扰的工况下也可稳定有效的运行。附图说明[0023]图1是本发明实施例锁相环的模块框图；[0024]图2是本发明实施例滤波的可视化编程逻辑框图；[0025]图3是本发明实施例PI调节的可视化编程逻辑框图；[0026]图4是本发明实施例求出实时相位信息的可视化逻辑框图。
具体实施方式[0027]下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。[0028]如图1所示，为本实施例一种基于FPGA的单相锁相环模块框图。本实施例中实现本发明方法的主要流程依次为：采集系统网测任一相电压、进行信号比较、电压差信号滤波、PI调节、误差信号滤波、计算实时频率和求得实时相位信息；具体步骤如下：[0029]步骤1、采集系统网测任一相电压：[0030]设定程序执行计数器，每计数到Dpd+Δe(t)，就进行一次采样。[0031]步骤2、信号比较：[0032](t)＝Kvi(t)vo(t)＝KVicos[ωot+θ1(t)]Vosin(ωot)[0033]＝KViVosin[2ωot+θθ1(t)]+KViVosin[1(t)]
[0034][0035][0036][0017]
步骤3、电压差信号滤波：
如图2所示，将vd(t)通过递推求平均方法进行滤波处理，滤除二次谐波，得到信号步骤4、PI调节：如图3所示，利用比例放大器和积分环节对vdo(t)信号进行比例积分调节，得到误
4
vdo(t)。
[0037][0038]
CN 106911329 A
说 明 书
3/3页
差信号ve(t)。
[0039]
步骤5、误差信号滤波
[0041]逻辑与图2框图一样，将信号ve(t)进行滤波处理，得到Δe(t)。[0042]步骤6、求实时频率：[0043]根据滤波后得到的Δe(t)，计算出实时频率值f。[0044]步骤7、求得实时相位信息[0045]如图4所示，利用步骤6求得的频率信号，把求得的频率转换成周期，此周期值即认为是控制系统内部同步信号周期值，再把此周期值进行等分，每等分的时刻都对控制系统同步信号进行一次输出，即为实时的相位信息sinθ。
[0040]
5
CN 106911329 A
说 明 书 附 图
1/2页
图1
图2
图3
6
CN 106911329 A
说 明 书 附 图
2/2页
图4
7
