基于数字锁相技术的交流采样及其信号处理

研究与开发基于数字锁相技术的交流采样及其信号处理刘晖李多山(合肥联信电源有限公司，合肥230088)摘要现在一些场合对应急电源切换的时间要求越来越高，快速采集交流电压信号并进行实时处理，是实现准确快速切换的关键，本文采用TM S320L F2407作为逆变控制芯片，并在此基础上采用数字化锁相技术，R C低通滤波和谐波补偿处理等方法，实现了交流电压信号的准确与快速的实时采集，为应急电源的正确、快速切换控制奠定了基础。

关键词：D SP；同步采样；信号处理Sam pl i ng and D i s pos i ng of t he A C V ol t ageSi gna l B as ed on D i gi t e Phas e L ocked L oopLi H H H i Li D uoshan(L i anxi n P ow e r Suppl y C o．，L t d，Hef ei230088)A b st r a ct In s uch f i el ds，t he s w i t chi ng s peed be t w ee n bypas s of em er genc y pow er supp l y(E PS)and m ai n pow e r s uppl y be r eq ui red m or e st r i ct．So t hat，i t i s an i m p or t ant t o s am pl e and di s p os e of t heA C vol t age s i gna l f as t and accur at el y．A i nve rt er bas ed on T M S320L F2407chi p i s pre se nt ed，di gi t alphas e l ocked l oo p and R C l ow p as s and com pe ns at e d har m oni c er r o r m e t hods be t aken，i t re al i z e s am pl i ng and di s po s i ng of t he A C vol t age s i gna l f a st and ac c ura t el y，SO t ha t i t a l so e ns u r e t he s w i t chi ng pr oces s a cc ur a t e and r api dl y．K ey w or ds：D S P；s ynchr oni za t i on s am pl i ng；s i gnal di s p os e1引言现在对应急电源性能的要求越来越高，如：在某些不能断光源场合(隧道、地铁等)，采用的是高强气体放电灯(如高压钠灯、金属卤素灯等)，高强气体放电灯的特性均为：当断电时问大于5m s时，高强气体放电灯将断电熄灭，要等其冷却后才能重新启动，在这些场合必须实现戍急电源的快速切换。

应急电源的实时性控制的要求越来越高，交流市电的正确判断是实现快速切换的一个重要方面，传统的电压采样电路多采用整流与滤波电路构成，由于滤波电容具有时延特性，很难满足快速判断的要求，只有采用瞬时交流采样电路才能满足快速判断的要求。

所以，交流电压信号实时采集和信号处理获得高质奄交流电压信号，它是应急电源进行实时性控制的基本要求，本文在基j二数字锁相同步基础上，进行交流电压信号的实时采集和处理，通过这些技术，实现了交流电压信号的准确与快速的实时采集，为应急电源的正确、快速切换控制奠定了基础。

36I电嘎技硪2008年第12期2同步定点采样在工程中，瞬时采样常用的采样方法足对信号进行定时采样，也即每两个相邻的采样点间的时间间隔足固定的，采样的速度满足香农采样定理即町。

但是，随机定时采样对瞬时快速判断有很大难度，虽然可以采用真有效值等算法进行数据处理，但反应速度过于滞后，不宜用作快速判断的方法。

同步定点数采样法，即对一个周期信号，在一个固定的周期内，不是以固定的时间间隔来决定采样点，而是在一个周期内采样固定的点数，这些采样点问的时间间隔相等。

采样序列和时间的对应关系如F：采样序列：坦1)，坝2)，坝3)，Ⅲ4)，坦5)，坝6)，坝7)，……采样时刻：0，t，2t，3t，4t，5t，6t，……其中，t=-T／m(T为被测信号的周期，m为一个周期内的采样点数)。

同步定点数采样就是以被测信号的零点作为采样的起始点，在被测信号的一个完整周期内采样固定的点数，它要求第一个采样点必须和被测信号的零点对齐，这即所说的同步的含义，通过同步定点数采样的数据存在一定的规律性，可以通过对这些数据的分析再结合具体的数字算法就町以实现对周期信号各参量的精确测量。

现在，数字控制技术已成为新型应急电源发展的主流，D SP具有高速、稳定的数据处理能力，选择D SP为控制芯片可以提高系统控制的准确性、实时件和灵活性，可以有效提高系统的综合性能，所以本文选择T M S320LF2407作为逆变控制芯片，在此基础上采用数字化锁相技术实现同步定点交流电压信号的采样。

在逆变电源控制中，交流电压信号同步定点数采样是利用数字锁相的技术实现的。

首先将市电电乐经过过零检测电路转换为方波信号，并送入D S P 的捕获单元的入口，锁相过程是在捕捉中断程序中完成的。

当锁定市电相位以后，在每个过零方波上升沿的开始，在每个载波周期进行一次采样，这样一个完整市电周期有200个定点采样数值，完全满足信号处理的要求。

所以，利用数字锁相技术即可完成～个完整周期的定点采样。

研究与开发3电压信号的采集与处理具体采样电路如图l所示。

主电路的输出电压采样与控制板之间应用隔离变压器进行采样隔离，由于D S P只能采集0～3．3V 的直流电压，所以中间加电阻分压、电压抬升、电压钳位等调理电路，这样为D SP模拟转换口提供了安全的电压信号。

在D S P集成开发环境C C S中应用其图形分析功能，重现采样的波形。

实际采集的波形如网2所示。

在图2中，上面曲线为实际同步定点采样电压采样波形，下面曲线为基准正弦波形，中间为采样过零点局部放大图形。

从两组波形对比中可见，实际采样数据纹波较大，而且由于隔离变压器的线圈电感作用，实际采样图形与基准正弦波形相位不一致、波形有畸变，将该采样数据与基准正弦波数据相减所得数据如图3示。

这砦畸变是由于电压信号经过采样电路和隔离变压器的线圈后产生大量的多次谐波造成的。

该采样数据与基准正弦波相比最大相对误差为万：竺×100％：9％(1)300图2图1图32008年第12期电号技雍I37研究与开发由上分析可见，采样数据纹波较大和而且相位与基准正弦波数据不一致，如果直接用未经处理的采样数值进行分析与判断，所得结果将有很大误差，所以必须进行数据处理，才能提高数据的正确性。

因为采样数据纹波和相位差较大，先选用R C 低通滤波进行处理，R C 低通滤波不仅可以抑制纹波，而日．可以有效地补偿相位，实际中选择数字滤波算法对采样数据进行处理。

按R C 低通滤波电路建立的方程为R C dy 。

(。

t )+y(f)-----X (r)(2)离散化后得尺c 华+几=石々(3)经整理得Y t =a xk4-魄一l(4)尺C式中，口2疆I ，62疆T ；Ⅲ=1Y ’了’采用R C 低通滤波离散化后y(k)=ax(k)+by(k-1)的波形如图4示。

取数值补偿的方法，即在每个采样点进行差值补偿，经过补偿得图5所示。

图5为校验实际数据处理的效果，对随机同步定点采样的数据进行处理并与基准正弦波数据相减所得数据如图6示。

幽6这些数据为系统的随机误差，足无法消除的，将经过数据处理后的采样数据与基准正弦波相比最大相对误差为图46从4图可见，采用R C 低通滤波算法补偿了采万2意X 100％=2％(7)样的滞后相位，而且波形变得平滑。

通过对比术经处理的采样信号，经过R C 低通滤由于采用同步定点数采样，该采样数据为周期波和谐波补偿法处理的数据，精度和平滑程度都有很性数据，按傅里叶级数分析方法，该信号函数A t )大提高，应用这些数据进行市电状况的判断，提高了司以展成判断的I 卜确性，满足了准确、快速采样判断的需要。

f (t )24。

c os(qf +奶)+4。

cos (C 02t +g ／2)+…(5)一键论／‘7’2荟‰cos(Ka{‘+炸’‘6)本文在基于数字锁相同步基础上，通过采用瞬即信号函数可以理解为各次谐波分量合成而产时交流采样电路、实时信弓采集和处理最终获得高生的，其中4。

cos (O 乌t +I Fl )项，称为基波分量(一质量交流电压信号，实现了交流电压信号的准确与次谐波分量)，也就足理想的正弦波采样信号，而其快速的实时采集，为应急电源的IE 确、快速切换控它谐波分量属于畸变干扰量，在误差分析中属于系制奠定了基础。

图7为市电断电后，D SP 逆变控制统误差，由于系统误差的数据遵循一定周期规律，系统迅速作出判断并投切入应急电源的实际波形。

可以通过引入修止值的法，给予弥补，实际中采(下转第41页)38l 电鼍技攥2008年第12期2o ．‰0。

卜r —”、怕一1．1—15j南2．o 南如5：D 曲7b 南幽160时同(¨’图3差异示伤电流图4联合时频分布图4结论联合时频分析是一种先进的数字信号处理技术，是一种研究频谱在时I '日J 上的变化的物理和数学思想。

由于完全是靠计算机操作，因此使得故障诊断的准确性得到很大的提高，克服了上述两种方法存在的缺陷，相比传统的方法，有更大的应用前景。

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