软件锁相技术在柴油发电机组监控系统中的应用

由IVE张昕 分享时间：2021-06-07 17:27:37 收藏本文

【简介】感谢网友“IVE张昕”参与投稿，以下是小编精心整理的软件锁相技术在柴油发电机组监控系统中的应用（共6篇），希望对大家有所帮助。

篇1：软件锁相技术在柴油发电机组监控系统中的应用

摘要：阐述了锁相技术的基本原理，根据硬件锁相技术的特点，建立了软件锁相算法的数学模型，并给出了该技术的基本软件算法。将该技术应用到柴油发电机组监控系统中，通过测试结果证明了该技术的可行性和有效性。

关键词：软件锁相柴油发电机数学模型

在机械保温车辆段中，柴油发电机组发出的电能全部供给保温车内的电气设备使用，而这些设备均工作在工频条件下，这就要求发电机组发出的三相交流电有相当高的频率稳定性。而实际上，柴油发电机发出的电能，其交流电参数中的频率并不是固定不变的，正常的波动范围为49．5Hz~50．5Hz；当负载产生大范围波动时，频率也会随之产生大范围的波动。在检测过程中，对于这种大范围的波动，工作人员有时不能正确判断其是否是谐波引起的，从而给工作人员带来额外劳动。为了能实时监控发电机组发出的电能是否符合正常标准，CPU必须清楚当前采集的交流模拟量频率的变化情况，并能有效地滤掉谐波，对所测的频率进行实时处理，确保采样频率与实际信号频率相同。

1锁相基本原理

1．1硬件锁相原理

将三相电路的电压信号及电流信号经过电压互感器和电流互感器变成幅值为-5V~+5V的交流输入信号，为了使采样频率“跟随”输入信号频率的变化，一般采用图1所示的传统反馈系统。

由图1可知：

△f=f(s)/1+F(s)

其中，F（s)=G(s)H(s)

=[k(1+STa)(1+STb)]/[Sn(1+ST1)(1+ST2)](1)

考虑到发电机发出的电信号是渐变信号，仍设：

f=atl(t)

则由拉氏变换终值定理得到稳态时误差为：

当n=1时，lim△f=a/k；当n≥2时，lim△f=0。式（2）表明，要使采样频率跟踪系统频率，需使开环传递函数F(S)中的n≥2。兼顾系统的稳定性，取n=2，并取反馈传递函数H(S)二1／N(N为分频系数，信号比较稳定时可以取1)，则采样频率f0就可以跟踪系统频率f的变化。

图1所示的控制环节可以很方便地用锁相环硬件电路来实现，其原理如图2所示。图中，PD为相差比较器，其传递函数为ud=kp・△θ；VCO为压控振荡器，其传递函数为fVCO=(kvuc)/s.

取LPF（低通滤波器）的传递函数为：

1．2软件锁相数学模型

软件锁相原理是用计算机软件实现上述锁相过程。将图2的分频系数N取1，设输入u=Mcosθ，输出u0=M0cosθ0，其中θ和θ0是随时间而变化的量，则：

ud=Mcosθ・M0cosθ0=(MM0)/2[cos(θ-θ0)+cos(θ+θ0)](4)

式(4)中第二项是一个倍频的交流成分，若θ-θ0是常量，第一项则为直流成分。而且，若θ-θ0接近于-π／2，则cos(θ-θ0)=sin(θ-θ0+π／2)≈θ-θ0+π／2。故对于ud的直流成分来说，模拟相乘器相当于一个相位的减法器。在压控振荡器中，因频率可以是变量，故它们不是简单的乘以时间的关系，而是对时间的积分。除压控振荡器的积分作用外，滤波器环节中还需有积分项，这样才可以使ud的直流成分稳定为0，从而θ-θ0。的差可以稳定为π／2。uc的值由滤波器中的.积分项保持作用维持。另外，滤波器中若只有积分项，将出现等幅振荡，故需要增加一个比例项。其数学模型如图3所示。

数学模型中，除u的输入采样要利用A／D转换接口硬件外，相乘器、滤波器和压控振荡器等可全部由程序中的算法来仿真。如果需要输出u0，还需要D／A接口电路。在柴油发电机组监控系统中，不需要输出u0，可以直接在程序中引用锁相环中的各个变量参与下一步的数据处理。

1．3软件锁相的优越性

与传统的硬件锁相相比，软件锁相可以实现硬件锁相难以实现的要求：

(1)可以利用计算机灵活的处理能力实现优化滤波或自适应滤波。

滤波可以用数字积分的形式形成无限大的直流增益，以实现完全无差调节。若希望将相乘器产生的倍频成分滤掉，可以设计一种数字滤波算法，使其在w的倍频之处为零点，而且在信号变化时可以根据实测w的值去修正滤波算法，使其零点也跟着变化以满足测试要求。这在硬件锁相中是很难实现的。

(2)可以强行改变积分值以实现快速锁定。

硬件电路中的积分值如电容的电压、电感的电流等是不能突变的。但程序中的数据却可以根据实际需要强行赋，这样能实现一步锁定。

2柴油发电机组监控系统中软件锁相的实现

在柴油发电机组中，频率基本为定值(50Hz)，这样就可以在程序中使w初始化为接近这一频率的值。然后采用下述算法；算出θ与θ0。的实际差值，然后可以强行修改θ0，使此差值改为π／2，实现一步锁定。引入一个比u0滞后π／2的信号sinθ0，可以计算usinθ0，设它的直流分量为X，再设ucosθ0。的直流分量为r，采用式(4)同。样的方法得出：

ctg(θ0-θ)=Y／X

若X>0则0<θ0-θ<π；

若X<0则-π<θ0-θ<0；

当X=0，若Y>0则θ0-θ=0；否则θ0-θ=π。

由此，只要求出Y与X，就确定了θ与θ0的实际差值。

求X与Y时，需要对上述乘积求一段时间的平均值。若信号为单一频率，则平均时只需要消去乘积中的倍频成分，这样只需要对半个周期取平均，故最快的是采用一步锁定方式，这样需要半个周期的时间。若考虑输入信号u中可能存在谐波，则可将平均时间加长到整个周期或整数个周期。若u中有更低频成分，则情况复杂些，但平均时间越大，该成分的影响产生的误差越小。总之，使相位接近于准确锁定是不难办到的。

本系统中，由于输入频率很少变化，因此为求锁相环稳定，避免因干扰而失锁，通常让滤波器环节的时间常数尽可能大，即尽可能慢些。

从上面可以看出，锁相环中的各个中间变量均可通过简单的应用程序求解，最后求出采集信号的频率。

3试验结果

9月25日，上海铁路分局科委组织有关专业技术人员，对上海机械保温车辆段的柴油发电机组监控系统进行测试。测试报告结果如表1所示。

表1柴油发电机组监控系统测试结果表（摘自鉴定的测试报告）

测试时间9：009：209：4010：0010：：4011：0011：：40负载（A）2030405060708090100计量仪表测试值（Hz)50.450.250.150.049.949.859.849.749.7未采用锁相技术的测量频率（Hz)50.650.350.049.849.249.750.449.649.2采用锁相技术的测量频率（Hz)50.450.350.050.049.949.949.749.649.7

从表中可以看出，未采用软件锁相技术的测试软件，测出的结果因谐波干扰而产生很大的波动，影响了测量的结果，会使工作者误以为柴油发电机组不符合标准。而采用软件锁相技术编制的软件测量结果和高精度计量仪表的测量结果相符，测试要好得多，在柴油发电机组进行性能测试时，它完全能替代计量仪表，符合测试的标准。

篇2：软件锁相技术在柴油发电机组监控系统中的应用

软件锁相技术在柴油发电机组监控系统中的应用

关键词：软件锁相柴油发电机数学模型

在机械保温车辆段中，柴油发电机组发出的电能全部供给保温车内的电气设备使用，而这些设备均工作在工频条件下，这就要求发电机组发出的.三相交流电有相当高的频率稳定性。而实际上，柴油发电机发出的电能，其交流电参数中的频率并不是固定不变的，正常的波动范围为49．5Hz~50．5Hz；当负载产生大范围波动时，频率也会随之产生大范围的波动。在检测过程中，对于这种大范围的波动，工作人员有时不能正确判断其是否是谐波引起的，从而给工作人员带来额外劳动。为了能实时监控发电机组发出的电能是否符合正常标准，CPU必须清楚当前采集的交流模拟量频率的变化情况，并能有效地滤掉谐波，对所测的频率进行实时处理，确保采样频率与实际信号频率相同。

1 锁相基本原理

1．1 硬件锁相原理

由图1可知：

△f=f(s)/1+F(s)

其中，F（s)=G(s)H(s)

=[k(1+STa)(1+STb)]/[Sn(1+ST1)(1+ST2)] (1)

考虑到发电机发出的电信号是渐变信号，仍设：

f=atl(t)

则由拉氏变换终值定理得到稳态时误差为：

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篇3：队列与多线程技术在交通监控系统通信软件中的应用

队列与多线程技术在交通监控系统通信软件中的应用

为满足高速公路及城市道路交通监控系统通信软件与大量网络设备实时通信的功能需求,提出了基于队列与多线程的技术方案,阐述了设计思路并给出了软件实现.通过多种多线程技术方案的'对比,认为基于队列与多线程技术的方案能满足交通监控系统通信软件的应用需求,并在实际应用中取得预期的效果.结合实际应用给出实现代码,对同类技术应用具有参考价值.

作者：张伟刘大伟 ZHANG Wei LIU Da-wei 作者单位：上海交技发展股份有限公司,上海,35 刊名：上海船舶运输科学研究所学报英文刊名：JOURNAL OF SHANGHAI SCIENTIFIC RESEARCH INSTITUTE OF SHIPPING 年，卷(期)： 32(1) 分类号：U412.6 关键词：多线程线程池队列通信服务器

篇4：锁相放大技术在蓄电池内阻检测中的应用

锁相放大技术在蓄电池内阻检测中的应用

摘要：介绍了锁相放大技术的基本原理以及采用交流注入法在线测量蓄电池内阻的装置，详细介绍了该装置的工作大批量采用锁相放大技术实现内阻测量实际电路。在该装置中通过采用平衡调制解调芯片AD630有效地抑制了噪声和干扰，并且简化了设计。

关键词：蓄电池内阻交流注入法锁相放大AD630

国内外的科研人员通过大量的实验发现，蓄电池的内阻与容量有着密切的关系，根据蓄电池内阻的大小可以电池的性能。用内阻检测法判定蓄电池性能，实现维护密封铅酸蓄电池的在线维护，是目前人参认的蓄电池维护的最佳方案之一。

蓄电池的内阻一般都很小，满容量时，内阻一般为几毫欧，甚至零点几毫欧（一般400Ah的2V蓄电池内阻大约为0.5毫欧左右），因此内阻法在实现时有较大的技术难度。另外，充电机会产生很大的干扰，环境的噪声也是不可忽视的，再加上内阻否则微弱，所以如何有效地抑制干扰也就成了内阻测量的关键技术。

在研究中发现，采用锁相放大技术可以有效地抑制干扰和，并使得内阻的测量变得非常简单且测量速度快、成本低廉。

图1

1锁相放大的基本原理

锁相放大的基本原理框图如图1所示。

由于被检测的信号很微弱，而噪声和干扰却很强，所以被检测的信号应进行放大和滤波处理，以滤除通带以外的噪声和干扰。参考信号的作用是提供一个与输入信号同频的方波或正弦波。相敏检波的作用是对输入信号和参考信号进行乘法运算，从而得到输入信号与参考信号的和频与差频信号。后续的低通滤波的作用是滤除和频分量，这时的等效噪声带宽很窄，极强地抑制了输入噪声。

输入信号经过相敏检波和低通滤波后，将交流信号转变为直流信号，直流信号经直流放大器放大后，即可满足系统的增益要求。

2锁相放大器中的信号相关原理

设X（t）是伴有噪声的周期信号，即：

X（t）=S(t)+N（t）=Asin(ωt+ψ)+N(t)

其中，S（t）为有用信号，其幅值为A，角频率为ω，初相角为ψ，N（t）为随机噪声。

参考正弦信号为：

Y（t）=Bsinω(t+τ)

其中，τ是时间位移。则两者的相关函数为：

由于参考信号Y(t)与随机噪声N（t）互不相关，所以Rny(τ)=0，于是就有：

Rxy(τ)=（AB/2）cos(ωτ+ψ)

从而得出Rxy(τ)正比于有用信号的幅值。

由以上分析可知，利用参考信号与有用信号具有相关性，而参考信号正噪声相互独立、互不相关的性质，可以使之通过互相关运算削弱噪声的影响。

3内阻的测量原理

内阻测量是一个比较复杂的过程，目前主要有两种方法，即直流放电法和交流注入法。交流注入法相对直流放电法有很多优点，如体积小、成本低、对电池无损害、可在线测量、可进行频繁的测量等。由于交流法具有种种优点，所以越来越受到业界的推崇。

这里要用了交流注入法进行蓄电池内阻的测量，运用锁相放大技术很好地抑制了充电机的'干扰和环境噪声。

交流注入法测量电池内阻的原理框图如图2所示。由于在变电站和通信基站中使用的免维护铅酸蓄电池的内阻都很小，一零点几个毫欧至几个毫欧，所以电池内阻测量导线的阻抗是不可忽略的，应采用四线法进行测量，即将注入电流回路与信号测量回路分开。

图中，低频交流信号发生器为一个频率为5Hz的交流恒流电池源，用于给电池注入交流信号。电阻Rr为取样电阻，用于产生同步参考信号。

锁相放大及滤波电路是内阻测量的核心部分，用于分离电池内阻上固有的容性成分，并对微弱的内阻测量信号进行锁相放大及滤波处理。

测量内阻一般是先通过测量电压计算出内阻抗，再测量相移，然后再计算出内阻抗中纯阻性部分（即常说的电池内阻）。这种方法电路设计比较复杂，并且精度也很难做得很高。在设计中，采用了锁相放大法进行内阻的测量，可直接计算出内阻，既简化了设计，又有效地抑制了干扰和，大大提高了测量精度。

4锁相放大及滤波处理实际电路

对于存在噪声的非周期信号，通常用滤波器减小系统的噪声带宽，即所谓的带宽压缩法。对于深埋在噪声信号中的周期性重复信号，通常采用锁相放大技术（频域的窄带化处理）进行处理。

相敏检波器是锁相放大器的心脏。对周期信号进行互相关运算的电路框图如图3所示。

设US=Es・sin(2πf1t+ψ1)

Ur=Er=Er・sin(2πf2t+ψ2)

则：Uo=Us・Ur

=(EsEr)/2cos[2π(f1-f2)t+(ψ1-ψ2)]-(EsEr)/2

cos[2π(f1+f2)t+(ψ1+ψ2)]

上式表明，相敏检波器的输出包括两部分，前者为输入信号与参考信号的差频分量，后者为和频分量。当被测的用信号与参考信号同步时，即f1=f2时，差频为零，这时差频分量变成相敏直流电压分量，而和频分量为倍频。其物理意义表示信号经过相敏检波以后，信号频谱相对频率轴作了相对位移，即由原来以f1为中心的频谱迁移至以直流（f=f1-f2=0）和倍频（f=f1+f2=2f1）为中心的两个频谱。

通过低通滤波滤除倍频分量，从而使输出变为：

Uo=(ESER)/2cos[2π(f1-f2)t+(ψ1-ψ2)]

在实际的电路中，常常采用对称方波作为参考信号，使相敏检波器处于开关状态，这时的相敏检波器称为开关型相敏检波器。为简化，令Er=1，将方波参考信号属开为傅立叶级数：

式中，n为谐波次数，f2为参考方波的频率。

当被测的有用信号为Us=Es・sin(2πf1t+ψ1)时，则相敏检波器的输出为：

若f1=f2，则上式中存在直流分量为(2Es)/πcos(ψ1-ψ2)=(2Es)/πcosθ

式中，θ=ψ1-ψ2为输入信号Es与参考信号Er的相位差。

在本设计中，采用了AD公司生产的平衡调制解调芯片AD630。其实现的电路原理如图4所示。

参考信号为交流电流信号源输出电阻Rr上的电压信号，此信号与电池上的注入信号是同频同相的。但由于电池的内阻抗上存在容性发量，所以从电池上来的取样信号与注入信号有相位差，设为θ。并设电池的内阻抗为Rz，纯内阻为R，则有：

R=|Rz|・cosθ

设交流电流信号源的输出电流为I=Asinωt，则取样电阻Rr两端的电压降为Uf=I・Rr=A・Rr・sinωt。由于电池内阻抗上有容性成分存在，所以电池上产生的交流电压信号会产生相移，设差分放大器的增益为B，则采样信号经放在后的值为Us=I・Rz・B=A・B・|Rz|・sin(ωt+θ)。将Uf作为AD630调制时的参考信号，由于此信号在AD630内部是经过一个与零电平作比较的比较器后再进行调制的，所以实际的相敏检波的参考信号为一个对称的方波Ur，通过外围管脚的适当连接可使AD630工作在1：1的调制模式下。

将此方波参考信号Ur展开为傅立叶级数，为：

则AD630的输出为：

Uo=Us・Ur=A・B・|Rz|・sin(ωt+θ)・Ur

令Es=A・B・|Rx|,且ω=2πf

根据前面的运算结果，可得：

Uo经低通滤波器（其增益为C）后，输出为：

Uo'=2Es/πCcosθ=(2ABC)|Rz|cosθ=(2ABC)/πR

用基准电阻Rc替换电池进行同样的测试（恒流源电流保持不变），通过类似的推导可得输出信号为：

Uoc'=（2ABC）/πRc

根据以上两式，可得Uo'/Uoc'=R/Rc，于是电池内阻R=Uo'/Uoc'Rc。

直流电压Uo'和Uoc'值可通过A/D变换得到，而其准电阻Rc的阻值是已知的，所以电池的内阻就可计算出来了。

在实际的应用中，设备出厂前需先经过基准电阻进行校准。对于特定的注入电流，R/Uoc'的值是恒定的，此参数应存于EEPROM中，在现场进行内阻的在线测量时，只需测出Uo'就可立即计算出电池的内阻来。所以电池内阻能在很短的时间内测量出来。

本文对锁相放大法的基本工作原理及信号相关原理进行了较为详细的阐述。利用调制解调芯片AD630对电池内阻的测量信号进行锁相放大处理，不仅很好地抑制了干扰和噪声，而且还简化了内阻的测量，无需分别计算内阻抗和相移角，可直接测出内阻。电池内阻的准确测量为电池的正常工作提供了可靠的保障，对提高直流系统的安全运行、供电系统的可靠性和自动化程度有着十分重要的意义。该装置已经在很多变电站、电厂和通信基站中有了广泛的应用，运行情况良好。

篇5：锁相放大技术在蓄电池内阻检测中的应用

锁相放大技术在蓄电池内阻检测中的应用

关键词：蓄电池内阻交流注入法锁相放大 AD630

在研究中发现，采用锁相放大技术可以有效地抑制干扰和，并使得内阻的测量变得非常简单且测量速度快、成本低廉。

图1

1 锁相放大的基本原理

锁相放大的基本原理框图如图1所示。

由于被检测的信号很微弱，而噪声和干扰却很强，所以被检测的信号应进行放大和滤波处理，以滤除通带以外的噪声和干扰。参考信号的'作用是提供一个与输入信号同频的方波或正弦波。相敏检波的作用是对输入信号和参考信号进行乘法运算，从而得到输入信号与参考信号的和频与差频信号。后续的低通滤波的作用是滤除和频分量，这时的等效噪声带宽很窄，极强地抑制了输入噪声。

输入信号经过相敏检波和低通滤波后，将交流信号转变为直流信号，直流信号经直流放大器放大后，即可满足系统的增益要求。

2 锁相放大器中的信号相关原理

设X（t）是伴有噪声的周期信号，即：

X（t）=S(t)+N（t）=Asin(ωt+ψ)+N(t)

其中，S（t）为有用信号，其幅值为A，角频率为ω，初相角为ψ，N（t）为随机噪声。

参考正弦信号为：

Y（t）=Bsinω(t+τ)

其中，τ是时间位移。则两者的相关函数为：

由于参考信号Y(t)与随机噪声N（t）互不相关，所以Rny(τ)=0，于是就有：

Rxy(τ)=（AB/2）cos(ωτ+ψ)

从而得出Rxy(τ)正比于有用信号的幅值。

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