軟件鎖相技術(shù)在柴油發(fā)電機組監(jiān)控系統(tǒng)中的應用

數(shù)學模型中，除u的輸入采樣要利用A／D轉(zhuǎn)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(jiān)控系統(tǒng)中，不需要輸出u0，可以直接在程序中引用鎖相環(huán)中的各個變量參與下一步的數(shù)據(jù)處理。

1．3 軟件鎖相的優(yōu)越性

與傳統(tǒng)的硬件鎖相相比，軟件鎖相可以實現(xiàn)硬件鎖相難以實現(xiàn)的要求：

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

濾波可以用數(shù)字積分的形式形成無限大的直流增益，以實現(xiàn)完全無差調(diào)節(jié)。若希望將相乘器產(chǎn)生的倍頻成分濾掉，可以設計一種數(shù)字濾波算法，使其在w的倍頻之處為零點，而且在信號變化時可以根據(jù)實測w的值去修正濾波算法，使其零點也跟著變化以滿足測試要求。這在硬件鎖相中是很難實現(xiàn)的。

(2)可以強行改變積分值以實現(xiàn)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(shù)據(jù)卻可以根據(jù)實際需要強行賦，這樣能實現(xiàn)一步鎖定。

2 柴油發(fā)電機組監(jiān)控系統(tǒng)中軟件鎖相的實現(xiàn)

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。的實際差值，然后可以強行修改θ0，使此差值改為π／2，實現(xiàn)一步鎖定。引入一個比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的實際差值。

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

本系統(tǒng)中，由于輸入頻率很少變化，因此為求鎖相環(huán)穩(wěn)定，避免因干擾而失鎖，通常讓濾波器環(huán)節(jié)的時間常數(shù)盡可能大，即盡可能慢些。

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

3 試驗結(jié)果

2003年9月25日，上海鐵路分局科委組織有關(guān)專業(yè)技術(shù)人員，對上海機械保溫車輛段的柴油發(fā)電機組監(jiān)控系統(tǒng)進行測試。測試報告結(jié)果如表1所示。

表1 柴油發(fā)電機組監(jiān)控系統(tǒng)測試結(jié)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(jié)果因諧波干擾而產(chǎn)生很大的波動，影響了測量的結(jié)果，會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(jié)果和高精度計量儀表的測量結(jié)果相符，測試要好得多，在柴油發(fā)電機組進行性能測試時，它完全能替代計量儀表，符合測試的標準。