軟件鎖相技術(shù)在柴油發(fā)電機組監控系統中的應用

數學(xué)模型中，除u的輸入采樣要利用A／D轉換接口硬件外，相乘器、濾波器和壓控振蕩器等可全部由程序中的算法來(lái)仿真。如果需要輸出u0，還需要D／A接口電路。在柴油發(fā)電機組監控系統中，不需要輸出u0，可以直接在程序中引用鎖相環(huán)中的各個(gè)變量參與下一步的數據處理。

1．3 軟件鎖相的優(yōu)越性

與傳統的硬件鎖相相比，軟件鎖相可以實(shí)現硬件鎖相難以實(shí)現的要求：

(1)可以利用計算機靈活的處理能力實(shí)現優(yōu)化濾波或自適應濾波。

濾波可以用數字積分的形式形成無(wú)限大的直流增益，以實(shí)現完全無(wú)差調節。若希望將相乘器產(chǎn)生的倍頻成分濾掉，可以設計一種數字濾波算法，使其在w的倍頻之處為零點(diǎn)，而且在信號變化時(shí)可以根據實(shí)測w的值去修正濾波算法，使其零點(diǎn)也跟著(zhù)變化以滿(mǎn)足測試要求。這在硬件鎖相中是很難實(shí)現的。

(2)可以強行改變積分值以實(shí)現快速鎖定。

硬件電路中的積分值如電容的電壓、電感的電流等是不能突變的。但程序中的數據卻可以根據實(shí)際需要強行賦，這樣能實(shí)現一步鎖定。

2 柴油發(fā)電機組監控系統中軟件鎖相的實(shí)現

在柴油發(fā)電機組中，頻率基本為定值(50Hz)，這樣就可以在程序中使w初始化為接近這一頻率的值。然后采用下述算法；算出θ與θ0。的實(shí)際差值，然后可以強行修改θ0，使此差值改為π／2，實(shí)現一步鎖定。引入一個(gè)比u0滯后π／2的信號sinθ0，可以計算usinθ0，設它的直流分量為X，再設ucosθ0。的直流分量為r，采用式(4)同。樣的方法得出：

ctg(θ0-θ)=Y／X

若X>0則0θ0-θπ；

若X0則-πθ0-θ0；

當X=0，若Y>0則θ0-θ=0；否則θ0-θ=π。

由此，只要求出Y與X，就確定了θ與θ0的實(shí)際差值。

求X與Y時(shí)，需要對上述乘積求一段時(shí)間的平均值。若信號為單一頻率，則平均時(shí)只需要消去乘積中的倍頻成分，這樣只需要對半個(gè)周期取平均，故最快的是采用一步鎖定方式，這樣需要半個(gè)周期的時(shí)間。若考慮輸入信號u中可能存在諧波，則可將平均時(shí)間加長(cháng)到整個(gè)周期或整數個(gè)周期。若u中有更低頻成分，則情況復雜些，但平均時(shí)間越大，該成分的影響產(chǎn)生的誤差越小?？傊?，使相位接近于準確鎖定是不難辦到的。

本系統中，由于輸入頻率很少變化，因此為求鎖相環(huán)穩定，避免因干擾而失鎖，通常讓濾波器環(huán)節的時(shí)間常數盡可能大，即盡可能慢些。

從上面可以看出，鎖相環(huán)中的各個(gè)中間變量均可通過(guò)簡(jiǎn)單的應用程序求解，最后求出采集信號的頻率。

3 試驗結果

2003年9月25日，上海鐵路分局科委組織有關(guān)專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員，對上海機械保溫車(chē)輛段的柴油發(fā)電機組監控系統進(jìn)行測試。測試報告結果如表1所示。

表1 柴油發(fā)電機組監控系統測試結果表（摘自鑒定的測試報告）

從表中可以看出，未采用軟件鎖相技術(shù)的測試軟件，測出的結果因諧波干擾而產(chǎn)生很大的波動(dòng)，影響了測量的結果，會(huì )使工作者誤以為柴油發(fā)電機組不符合標準。而采用軟件鎖相技術(shù)編制的軟件測量結果和高精度計量?jì)x表的測量結果相符，測試要好得多，在柴油發(fā)電機組進(jìn)行性能測試時(shí)，它完全能替代計量?jì)x表，符合測試的標準。