[发明专利]一种非固定采样频率的软件锁相环实现方法

权利要求书

1.一种非固定采样频率的软件锁相环实现方法，其特征在于：包括 如下步骤：

1)采用DSP的周期计数器模拟锁相环数控振荡器，得到数控振荡器 输出信号，其方法为：将数控振荡器输出基准信号周期表示为：其中，N表示基波周期采样点数，T_s表示采样周期，在一个基波周期内， 任意两个相邻采样点之间的相位差可表示为：Δφ＝2π/N，则数控振荡器第 k拍采样时刻的输出基准信号相位可表示为：k＝0、1...N-1 (1)；

2)以数控振荡器输出信号为基准信号，利用DQ变换鉴相方式，求出 电网电压与基准信号之间的相位误差，其中求出相位误差的方法为：以数 控振荡器的输出信号为基准，将三相电网电压进行DQ变换，并将变换后 的三相电网电压的Q轴分量和D轴分量的比值求反正切，具体为：

三相平衡系统中的三相电网电压表示成如下矢量形式：

uabc=Vm·sin(ωit+θi)sin(ωit+θi-2π/3)sin(ωit+θi+2π/3)---(2)]]>

其中，u_abc＝[u_a u_b u_c]^T，V_m表示相电压幅值，ω_i表示电网角频率，θ_i表示A相电网电压初始相角，通过DQ变换可将(2)式变换到dq0-坐标系 下：

udq0=T(θ^)·uabc=Vm·cos(ωit+θi-θ^)sin(ωit+θi-θ^)0---(3)]]>

其中，u_dq0＝[u_d u_q u₀]^T，u_d为DQ变换后的三相电网电压的D轴分量， u_q为变换后的三相电网电压的Q轴分量，表示DQ变换矩阵，如下 式：

T(θ^)=23sinθ^sin(θ^-2π/3)sin(θ^+2π/3)cosθ^cos(θ^-2π/3)cos(θ^+2π/3)1/21/21/2]]>

将式(3)中电网电压dq0-坐标系下Q轴分量和D轴分量的比值求反正 切，可得电网电压与基准信号之间相位误差：

Δθ=ωit+θi-θ^=tg-1(uq/ud)---(4);]]>

3)根据数控振荡器输出基准信号和电网电压与基准信号之间的相位误 差，建立锁相环系统闭环传递函数特征方程，确定环路滤波器的参数，其 方法为：选择PI控制器作为锁相环的环路滤波器，根据数控振荡器输出 基准信号和电网电压与基准信号之间的相位误差，推导出相位误差z-域闭 环传递函数，得到锁相环系统闭环传递函数特征方程，然后采用极点配置 法设计PI控制器参数；

其中，得到锁相环系统闭环传递函数特征方程的方法为：从三相电网 电压表达式可以得到电网基波电压相位信息，即θ_i(k)＝ω_i·T_s(k-1)+θ_i(k-1)， 则第k拍电网相位与基准信号相位之间的差为：

第k+1拍电网相位与基准信号相位之间 的差为：联立两式可得到离散相位误差 传递方程：Δθ(k+1)-Δθ(k)＝ω_i·T_s(k)-2π/N                    (5)；

(5)式中采样周期：T_s(k)＝p·T₁(k)＝T_i/N-p·T_clock·PI[Δθ(k)]，其中，T₁(k) 表示第k拍周期计数器值；T_i表示前馈周期，p由DSP计数器的计数工作 模式决定，当计数器工作在单增或单减模式时，p＝1；当计数器工作在增 减模式时，p＝2，T_clock表示周期计数器工作的时钟周期，将采用周期表 达式代入(5)可得到：Δθ(k+1)-Δθ(k)＝-p·ω_i·T_clock·PI[Δθ(k)]，将之可改写 为z-域闭环传递函数形式，并由之导出锁相环系统闭环传递函数特征方 程：D(z)＝[z-1+p·ω_i·T_clock·PI(z)]                            (6)；

所述的采用极点配置法设计PI控制器参数的方法满足：最优二阶系统 配置原则和低通特性原则；所述的采用极点配置法设计PI控制器参数的 方法为：按照最优二阶系统配置原则和低通特性原则选择系统自然振荡频 率和阻尼系数(ω_n，ξ)，则系统极点为：视初始采样为 T_s，将极点从s-域改到z-域：则可导出期望的z-域系统闭环传 递函数：D′(z)＝(z-z₁)(z-z₂)                     (7)；

结合式(6)，采用PI控制器表示为：其中，K_P表示 PI控制器比例系数；K_I表示PI控制器积分参数，当(6)中的D(z)与(7)式中 的D′(z)相等时，可以唯一确定控制器K_P、K_I参数。