单相锁相环基于DSP的数字实现

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基于DSP的软件锁相环

一种基于DSP的软件锁相环模型与实现随着大规模集成电路及高速数字信号处理器的发展，通信领域的信号处理越来越多地在数字域付诸实现。

软件锁相技术是随着软件无线电的发展和高速DSP的出现而开展起来的一个研究课题。

在软件无线电接收机中采用的锁相技术是基于数字信号处理技术在DSP等通用可编程器件上的实现形式，由于这一类型锁相环的功能主要通过软件编程实现，因此可将其称为软件锁相环（software PLL）［1］。

尽管软件锁相环采用的基本算法思想与模拟锁相环和数字锁相环相比并没有太大变化，然而其实现方式却完全不同。

本文将建立软件锁相环的Z 域模型，分析软件锁相环中的延时估计、捕获速度及多速率条件下的软件锁相环模型问题［1］。

　1软件锁相环的基本模型在模拟锁相环的基础上，利用数字、模拟系统彼此之间的联系，以二阶二型锁相环为例建立软件锁相环的Z 域模型。

文献［2］详细给出了锁相环的基本模型和原理。

如果将锁相环的基本部件采用软件编程的形式实现，就可以得到软件锁相环的基本组成，如图1所示。

首先从模拟锁相环的S域模型出发得到软件锁相环的Z 域模型（二阶二型模拟锁相环的S 域模型请参阅文献［2］）。

由于双线性变换是联系模拟系统与数字系统的一个重要方法，具有转换简单且表达式清晰明了的特点［3］，因此本文选择双线性变换法作为模拟锁相环与软件锁相环之间的转换基础。

　式(1)是双线性变换法的复频域表达式：其中：T是联系数字系统与模拟系统的采样时间间隔，1/T表示采样频率。

根据该转换关系，对S域模型各部分对应的数字复频域表达式进行转换，可以得到如图2所示的复频域模型。

　在实际应用中，二阶线性系统常采用阻尼因子ξ、无阻尼振荡频率ωn描述。

在二阶二型锁相环中，τ1，τ2 ，K 与ξ，ωn之间的对应关系如下：在式(1)和式(2)的基础上对图2进行等效变换，可以得到软件锁相环的另一个线性相位Z域模型，如图3所示。

　在模型Ⅰ中，参数τ1，τ2和K与实现电路功能的电阻、电容、压控振荡器密切相关。

基于DSP的逆变电源锁相环的设计与研究

文章编号：０９３６（０７０ —０８０１０ —６４２０）６０４ —３
冀辩钠舞赞

基于ＤＳＰ的逆变电源锁相环的设计与研究
龚益民，小惠臧（州大学城轻工学院，州２３６）常常１１４摘要：采用基于ＤＰ的数字锁相环（Ｐ）高频逆变电源输出频率的实时控制，实现逆变器工作频率对负载谐ＳＤＩ对Ｌ可振频率的同步跟踪，确保逆变器开关器件工作在零电压电流软开关（ＶＺＳ状态，著减小功率器件的开关损耗和提高ＺＣ）显装置效率。文中在给出ＤＰ控制的逆变电源拓扑结构基础上，出了适用于高频逆变电源的锁相环数学模型，Ｚ域中Ｓ推在对二阶数字锁相环进行了稳定性分析和动态设计。在对锁相环Ｚ域传递函数分析的基础上，出二阶数字锁相环的稳定得条件，给出数字锁相环的软件实现，并最后进行了实验验证。实验结果表明在Ｚ域中对基于ＤＰ的二阶数字锁相环的动Ｓ态分析和设计是合理可行的。用此方法设计的电源具有良好的动态响应和抗扰性能。
Ａｂｔａｔｓｒｃ：ＴｈｇｔｌａｅＬｃｅｏ（ＩＩ）ｅｈｏｏｙｂｓｄｏｇｔｌｉｎｌｏｅｓｒ（Ｐ）ｉａｐｉｄｔｅＤｉｉａＰｈｓ — ｏｋｄＬｏｐＤＰｔｃｎｌｇａｅｎａＤｉｉａＳｇａｃｓｏＤＳＰｒｓｐｌＯｅｃｎｒｌｈｐｒｔｇｆｅｕｎｙｏｎＨｉｈＦｒｑｅｃ — ｎｅｔｒ（ｏｔｏｅｏｅａｉｒｑｅｃｆａｇ — ｅｕｎｙＩｖｒｅＨＦ— Ｉｖｒｅ）ｓｍｕｔｎｏｓｙＯａｏａａｔｖｒｔｓｏｔｎｎｅｔｒｉｌａｅｕｌ，ＳｓｔｄｐａｉｉｆｅｅｔｅｌａｅｏａｔｆｅｕｎｙｔｅｐｔｅｉｖｒｅｌｙｒｉｇｏＶＺＳ（ｅｏＶｏａｃＺｒｒｅｔＳｔｈｎ）ｍｏｅｈｏｄｒｓｎｎｒｑｅｃＯｋｅｈｎｅｔｒａｗａｓｗｏｋｎｎＺＣＺｒｈｇ￣ｅｏＣｕｒｎｗｉｃｉｇｄ．Ａｔｔｅｍｅｎｉ。ｔｅｌｓｅｆｓｔｈｎｏｏｅｔｒｅｕｅｂｉｕｌｎｈｆｉｉｎｙｏｈｏｒｉｉｒｖｄｈａｗｈｌｅｈｏｓｓｏｗｉｉｇｃｍｐｎｎｓａｅｒｄｃｄｏｖｏｓｙａｄｔｅｅｆｃｅｃｆｔｅｐｗｅＳｍｐｏｅｃｇｅｔｙｏｒａｌｎＺＶＺｄ．ＩｈｓｐｐｒｈｏｏｏｙｏＣＳｍｏｅｎｔｉａｅ，ｔｅｔｐｌｇｆＨＦ— ＩｖｒｅａｅｎＤＳｓｐｅｅｔｄ．ａｄＰＩＳｍａｈｍａｉｎｅｔｒｂｓｄｏＰｉｒｓｎｅｎ ’ ｔｅｔＩｃｍｏｅＳｓｔｕ，ｗｈｃｓｓｉｂｅｆｒＨＦ— Ｉｖｒｅ．ＴｈｔｂｌｙｏｅｏｄｏｄｒＤＰＩｉｎｌｚｄ，ａｄｔｅｄｎｍｉｄ — ｄｌｅｐｉｉｈｉｕｔｌｏａｎｅｔｒｅｓａｉｔｆｓｃｎｒｅｉｓａａｙｅＩｎｈｙａｃｅｓｇｓｃｎｉｅｅｓｎｈｉｎｉｏｓｄｒｄｕｉｇｔｅＺ— ｔａｓｏｍｅｈｉｕ．ＡｔｈａｅｏｎｌｚｎｈｒｎｆｒｔｃｎｑｅｅｂｓｆａａｙｉｇｔｅＺ— ｔａｓｅｕｃｉｎｏｔｒｎｆｒｆｎｔｏｆＤＰＩｔｅｓａｉ … Ｉｈｔｂｌ — ｉｏｄｔｏｆｓｃｎｒｅｔｃｎｉｎｏｅｏｄｏｄｒＤＰＬｓｐｅｅｔｄＴｈｏｔｒｆｔｅＤＰｉｉｅｙｉＬｉｒｓｎｅ．ｅｓｆｗａｅｏｈＬＩｓｇｖｎ，ａｄｔｅｃｒｅｐｎｉｇｅｐｒｎｓｎｈｏｒｓｏｄｎｘｅｉｍｅｔｉｄｎｉａｌ．Ｔｈｅｕｔｆｅｐｒｍｅｔｈｗｈｔｔｅｄｎｍｉａａｙｉａｄｄｓｇｆｓｃｎｒｅ）ｒｅｓｎｂｅｏｅｆｎｌｙｅｒｓｌｓｏｘｅｉｎｓｓｏｔａｈｙａｃｎｌｓｓｎｅｉｎｏｅｏｄｏｄｒＩＰＩａｅｒａｏａｌＩ

基于DSP的单相载波电能表算法优化

基于DSP的单相载波电能表算法优化一、引言随着电力系统的快速发展和智能电网的不断推进，电能表作为电力系统中的关键设备之一，承担着电能计量和信息采集的重要任务。

为了提高电能表的准确计量能力和稳定性，以及实现数据远传和远程控制等功能，各种基于数字信号处理（DSP）的算法应运而生，并取得了较好的应用效果。

本文将针对基于DSP的单相载波电能表算法进行优化的任务，从算法的基本原理、优化方法和实际应用等方面进行深入探讨，以期能够对相关领域的研究和开发工作具有一定的借鉴意义。

二、基于DSP的单相载波电能表算法基本原理基于DSP的单相载波电能表算法主要是通过采集电能信号，并利用数字信号处理技术进行处理和计算，最终实现准确计量和数据通信等功能。

其基本原理可以概括为以下几点：1. 载波通信原理：单相载波电能表采用载波通信技术，通过在电力线上叠加高频载波信号来传输数据。

接收端通过解调和解调多普勒等技术，将叠加在电力线上的载波信号分离出来，从而实现数据通信。

2. 电流、电压采集与处理：基于DSP的电能表通过电流互感器和电压采样器，对电力线上的电流和电压信号进行精确采集，并进行滤波、增益调整及数字化处理等，得到准确的电能信号。

3. 有功、无功功率计算：通过对采集到的电流和电压信号进行相位对齐和乘积计算，可以准确地得到有功和无功功率的数值。

4. 脉冲信号计数：电能表通常还具有脉冲输出功能，通过对有功或无功电能的计数，可以实现电能计量的目的。

基于DSP的算法可以准确地对脉冲信号进行计数并解码，从而得到准确的电能数据。

三、基于DSP的单相载波电能表算法优化方法为了进一步提高基于DSP的单相载波电能表的计量准确性和稳定性，可以采用以下优化方法：1. 算法优化：对于算法中的数字滤波器、增益调整、乘积计算等关键模块，可以通过优化算法的设计和参数选择，提高其计算精度和抗干扰能力。

2. 噪声抑制：采用降噪技术和滤波算法，对电流和电压信号进行处理，减少噪声的干扰，从而提高测量结果的准确性。

基于DSP的软件锁相环的实现

基于DSP的软件锁相环的实现点击数：140洪君，黄沃林，罗剑（广州骏发电气有限公司，广东广州511400）摘要针对传统锁相环存在硬件电路复杂、易受外界环境干扰及锁相精度不高等问题，介绍了一种基于数字处理器TMS320F2812 实现对电网电压软件锁相功能的设计方案，并给出了过零检测电路和部分软件设计流程图。

通过实验证明，软件锁相环能够对基波及一定频率范围内的谐波电压实现准确的相位锁定，由于软件锁相环功能主要由DSP完成，简化了硬件电路，具有更强的抗干扰能力和实际应用效果。

关键字软件锁相环；过零检测；相位捕捉AbstractKeywords0 引言准确获取电网基波及谐波电压的相位角，在变频器、有源滤波器等电力电子装置中具有重要的意义，通常需要采用锁相环得以实现。

传统锁相环电路一般由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器及分频器组成，其工作原理是通过鉴相器将电网电压和控制系统内部同步信号的相位差转变成电压信号，经环路滤波器滤波后控制压控振荡器，从而改变系统内部同步信号的频率和相位，使之与电网电压一致。

传统锁相环存在硬件电路复杂、易受环境干扰及锁相精度不高等问题，随着大规模集成电路及数字信号处理器的发展，通过采用高速DSP 等可编程器件，将锁相环的主要功能通过软件编程来实现。

本文设计的锁相环控制系统采用数字处理器TMS320F2812 芯片实现对电网基波及特定次谐波电压相位的跟踪和锁定。

1 软件锁相环的设计方案1.1 工作流程基于DSP的软件锁相环设计此方案的基本思路是通过采样电压过零点获取同步信号，采用DSP 内部定时器的循环计数产生同步信号来实现压控振荡器和分频器的功能，即通过改变定时器的周期或最大循环计数值的方法来改变同步信号的频率和相位，同时对电压进行A/D 转换及数据处理，得出基波及谐波电压的相位与频率，调整SPWM 正弦表格指针地址完成对基波及谐波电压的锁相功能，其工作流程如图1 所示。

通常，过零信号可以通过检测电网三相电压中任一相的过零点获取。

DSP锁相——精选推荐

DSP锁相基于DSP的光伏并网发电系统数字锁相技术在光伏并网发电系统中，需要实时检测电网电压的相位和频率以控制并网逆变器，使其输出电流与电网电压相位及频率保持同步，即同步锁相。

同步锁相是光伏并网系统一项关键的技术，其控制精确度直接影响到系统的并网运行件能。

倘若锁相环电路不可靠，在逆变器与电网并网工作切换过群中会产生逆变器与电网之间的环流，对没备造成冲击，这样会缩短设备使用寿命，严重时还会造成设备的损坏。

TI公司生产的高速数字信号处理器TMS320C2000系列，不仅体积小、功耗小、可靠性高，而且内部集成了12路PWM发生器、6路CAPTURE单元电路等外设电路，非常适合于PWM信号的控制及锁相环的数宁实现。

本文采用了一种基于DSP芯片TMS320C2407A实现光伏并网系统数字锁相的与法，并给出了实验结果。

1 锁相的原理锁相环是一个闭环的相位控制系统，能够自动跟踪输入信号的频率和相位。

利用锁相环技术可以产生同步于输入信号的整数倍频或分数倍频的输出控制信号。

锁相环的基本结构是由签相器(PD)、环路滤波器(LF)、压控振荡器(VC0)和倍频器(MF)等组成，如图l所示。

倍频器实现对输出信号Uo进行整数或分数倍频。

鉴相器是用来比较输入信号Ui与倍频器输出的锁相信号Ub之间的相位差，并把该相位差转化为电压信号Ue。

环路滤波器通常具有低通特性，作用是滤除电压信号Ue中高频分量与其它噪声信号，产生稳定的电压控制信号Ue。

压控振荡器的振荡频率受电压控制信号Ue的控制，完成电压-频率的变换作用，从而实现锁相。

特殊情况，当倍顿器的倍频数为1时，即Ub=Uo，这时实际上实现了输出信号Uo与输入信号Ui之间的直接锁相。

一般来说，锁相可分为模拟锁相和数字锁相两种。

衡量锁相性能的三个技术指标是锁相范围、锁相速度和稳定性。

传统的模拟锁相电路复杂，器件参数需要调整，存在温度漂移，精度不高。

而采用数字锁相方法，可有效消除模拟方法的缺点，同时具有控制灵活，装置升级方便，可在线修改与调试，可靠性高，维护便利等优点，是PLL技术发展的趋势。

基于DSP的单相PFC控制器的研究

基于DSP的单相PFC控制器的研究摘要：本文在平均电流模式控制的基础上，设计了一种控制电路基于数字信号处理器（DSP）、主电路采用Boost变换器拓扑结构的全数字单相功率因数校正器；用数字控制电路代替传统的模拟电路来实现整个控制回路，最终使得校正器具有输入功率因数接近于1，低电流谐波以及高转换效率的特性.关键词：功率因数校正器（PFC） Boost变换器数字控制A DSP-Based Control Strategy for Single PhasePower Factor CorrectorAbstract：The paper introduce the design and implementation of a fully digital controlled single-phase boost power-factor corrector with fast response，which based on average current mode.The control-loop circuit is realized by using digital control in place of analog control and the corrector can tend to unity power factor, lower current harmonics and high transfer efficiency.Keywords: Power Factor Corrector Boost Converter Digital Control1 引言随着IEC1000-3-2等国际标准的颁布和强制执行，功率因数校正技术已成为电力电子领域的一个研究热点。

多年来，功率因数校正电路一直由专用PFC控制芯片组成的电路来实现，然而，这种专用芯片控制的电路本身具有模拟电路固有的缺陷，像元器件老化及热飘移问题，系统不灵活，难以实现进一步的优化，只能实现一些简单的控制算法等等。

基于DSP的软件锁相环的实现

基于DSP的软件锁相环的实现软件锁相环（Software-Defined Phase-Locked Loop，简称软件锁相环，简写为SDPLL）是一种基于数字信号处理（Digital Signal Processing，简称DSP）的锁相环控制算法。

它通过使用数字信号处理器来执行各种计算和调整，实现了锁相环的全部功能。

锁相环（Phase-Locked Loop，简称PLL）是一种闭环控制系统，用于将输入信号的频率和相位与参考信号保持同步。

传统的锁相环通常使用模拟电路来实现，而软件锁相环则通过数字信号处理器中的算法和计算来实现。

软件锁相环的实现步骤如下：1.采样输入信号：软件锁相环首先需要采样输入信号，通常使用高速模数转换器（ADC）将连续的模拟信号转换为离散的数字信号。

2.数字信号处理：采样得到的数字信号经过数字信号处理器进行各种运算和处理。

首先，对信号进行滤波，以去除不需要的频率成分。

然后，进行频率和相位的测量。

这可以通过计算信号的快速傅里叶变换（FFT）来实现。

另外，还可以使用相关函数或自相关函数来测量相位。

3.锁相环控制：基于测量得到的频率和相位信息，软件锁相环通过控制数字信号处理器内部的参数来调整输出信号的频率和相位，使其与参考信号同步。

控制算法通常包括PID控制等经典控制方法，以及其他更复杂的先进算法，如模糊逻辑控制、神经网络控制等。

4.输出信号生成：根据锁相环控制算法的计算结果，软件锁相环生成调整后的输出信号。

通常，使用数字信号处理器内部的数字频率合成器（NCO）来生成所需的频率和相位。

软件锁相环具有以下优点：1.灵活性：软件锁相环可以根据不同的需求进行定制，可以实现更复杂和灵活的控制算法，适应不同的应用场景。

2.可编程性：软件锁相环的算法和参数可以通过编程进行调整和改变，不需要修改硬件电路，提高了系统的可调性和可维护性。

3.数字精度：软件锁相环的计算和控制都是基于数字信号处理器进行的，具有很高的计算精度和稳定性。

单相锁相环基于DSP的数字实现

借鉴三相电网系统锁相环的软件实现方法，
推导单相系统锁相环的数字实现方法。１．模拟锁相环的原理介绍１如图ｌ示为锁相环（所ＰＬＬ：ＰｈａｓｅＬｃｅＬｏｐ）基本结构，ｏｋｄｏ的由鉴相器（ＰＤ：ＰａｅＤｅｅｔｒ、通滤波器（Ｆ：ｏｈｓｔｃｏ）低ＬＬｗＦｌｅ）压控晶体振荡器（ｉｔｒ和ＶＣＯ：ｌａ－ＶｏｔｇｅＣｎｒｌｄｓｉａｏ）成。ｏｔｏｌＯｃｌｔｒ组ｅｌ鉴相器计算输入信号ｘｔ与锁相环输出信号ｙｔ之间的相（）（）位差，成的误差信号ｅｔ经由低通滤波器生（）滤除高频谐波后产生控制信号ｃｔ，用来（）它控制Ｖｃ０生成的输出信号ｙｔ频率和相所（）位与输入信号ｘ（）致。ｔ一
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工程技术
ＳＩＮＥ＆ＴＣＮＬＣＥＣＥＨＯＯＧＮＯＭＡＩＹＩＦＲＴＯＮ
单相锁相环基于ＤＳＰ的数字实现
羞业宗（山中远船务工程有限公司浙江舟山３１）舟１６３１
ｓ￣ｃｓ，ｑ分量Ｐ调节为０得角ｉ０’ａｏ将轴ｎｅ’ Ｉ，频率０，对时间积分即得相位角ｅ’ ３再。
１．坐标系的选择与变换矩阵３
三相数字锁相环中用到坐标变换。坐

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单相锁相环基于DSP的数字实现
作者：董业宗
来源：《科技资讯》 2011年第20期
董业宗
（舟山中远船务工程有限公司浙江舟山 316131）
摘要：介绍了模拟锁相环的基本原理，基于目前普遍的数字控制系统的应用，模仿三相系统锁相环的实现方法，推导出单相锁相环的数字实现方法，并通过仿真研究验证了该实现方法的正确性。

关键词：锁相环数字实现坐标变换
中图分类号:TP31 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2011)07(b)-0000-00
随着环境污染的加重和石化资源的日渐消耗，世界各国都开始大力发展新能源产业。

无论哪种能源方式的发电，最终都需要并入电网中运行，也就都需要从中获取电网电压的相位信息实现控制,即锁相。

而且随着数字芯片的普及与应用，目前的控制系统均是由数字控制芯片比如DSP实现的，在其中通过软件实现锁相，就是所谓的锁相环数字实现技术。

三相电网的相位信息是通过三相电网电压进行3/2旋转变换后，然后将其中的q分量PI调节为0，即可得到相位信息。

本文模仿三相锁相环的实现方法，推导出单相电网系统锁相环的数字实现方法，并通过仿真验证方法的正确性。

1 单相锁相环的数字实现方法研究
本节在介绍模拟锁相环电路的基础上，借鉴三相电网系统锁相环的软件实现方法，推导单相系统锁相环的数字实现方法。

1.1 模拟锁相环的原理介绍
如图1所示为锁相环(PLL: Phase Locked Loop)的基本结构，由鉴相器(PD: Phase Detector)、低通滤波器(LF: Low Filter)和压控晶体振荡器(VCO: Voltage-Controlled Oscillator)组成。

鉴相器计算输入信号x(t)与锁相环输出信号y(t)之间的相位差，生成的误差信号e(t)经由低通滤波器滤除高频谐波后产生控制信号c(t)，它用来控制VCO所生成的输出信号y(t)频率和相位与输入信号x(t)一致。

1.2 三相电网软件锁相环的实现
如图1所示的模拟锁相环电路能够实现输出信号对输入信号频率和相位的追踪。

随着DSP
等数字控制芯片的大量应用，借鉴模拟锁相环的实现原理，学者们研究出用数字方法实现模拟
锁相环的技术，下面以应用非常多的三相电网系统为例，说明其实现方法。

1.4 单相锁相环的数字实现
由于单相电网只有一相电压，我们可以应用类似于三相锁相环的实现方法，虚构另一电网
电压分量与其正交，再将这两个分量旋转变换到dq坐标系，再将其中的q分量PI调节为0，
即可得到所需的电网电压相位。

其实现原理图如图3所示。

2 仿真验证
基于以上原理，应用MATLAB软件对该方法进行了仿真研究。

仿真中，PI调节器的参数为：比例系数8，积分系数25；设定电网电压幅值em为5V；按照式(3)进行坐标变换。

经过仿真，锁相环锁得的频率如图4所示，0.1s即得稳定频率50Hz。

锁得的相角的余弦值，以及电网电压波形关系如图5所示，可见仿真开始经两个周波后即锁得相位与电网电压一致，
验证了理论的正确有效性。

3 结论
本文介绍了模拟锁相环的电路原理，在此基础上借鉴三相电网锁相环的数字实现方法，研究了通过虚构电网电压β分量的单相锁相环数字实现方法，通过MATLAB仿真验证了控制方法的正确有效性，可以应用于光伏、风能等新能源发电领域的实际控制系统中。

参考文献
[1] 徐耀.基于DSP2407的单相软件锁相环的实现[J].通信电源技术,Vol.27,No.6,2010.
[2] 贾延君,李亚立,孙妍玮.基于TMS320LF2407DSP的数字化谐波检测方法[J].燕山大学学报,Vol.32,No.6,2008.。