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CN114252697B - 一种apf过采样方法、系统和存储介质 - Google Patents

一种apf过采样方法、系统和存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种APF过采样方法、系统和存储介质，采用软件与硬件结合的方法，利用主控芯片CPU的自带模数转换器ADC，在计算频率fc与功率器件的开关频率fk不一致的APF中，通过采用通道采样倍频及增加一个计算周期内的采样次数两种方式组合的方法，提高采样频率fs为计算频率fc及开关频率fk的公倍数，实现了对模拟量的过采样，抑制了APF输出电流中产生差频次谐波电流，提高了系统稳定性；本发明通过均值算法求采样结果，提高了采样精度，提高了抗采样尖峰的干扰能力，降低了采样数据的波动率；本发明实现成本低，效益高，可操作性强。

Description

一种APF过采样方法、系统和存储介质
技术领域
本发明属于电子电力控制技术领域，具体涉及一种APF过采样方法、系统和存储介质。
背景技术
在APF(Active power filter，有源电力滤波器)中存在控制算法计算频率fc和功率器件的开关频率fk两个量；系统采样频率fs一般与控制算法计算频率fc相等，与开关频率fk不一定相等。当系统采样频率fs与开关频率fk不相等的时候，用fd表示fs与fk的差频，若存在差频fd，在APF输出电流中可能会产生一个差频次的谐波电流，对APF稳定运行产生影响，严重时可能会引起系统谐振，造成APF故障停机；另一方面，在APF中，当采样频率fs与计算频率fc相等，即采样一次计算一次时，采样次数较少，容易产生采样尖峰及采样结果波动范围较大等问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种APF过采样方法、系统和存储介质，用于抑制APF输出电流中产生差频次谐波电流，提高采样精度。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种APF过采样方法，设APF的开关频率为fk，对APF的模拟量的采样频率为fs，对APF的控制算法的计算频率为fc，使采样频率fs为计算频率fc和开关频率fk的最小公倍数：
fs＝[fc，fk]，
实现对APF的模拟量采集的过采样。
按上述方案，包括以下步骤：
S1：采用带ADC转换器的控制器对APF的模拟量的进行采样，设ADC转换器的通道倍频系数为M，使一个模拟量经过一次采样得到M个采样结果；
S2：对一个模拟量在一次采样中得到的M个采样结果进行均值化处理，得到该模拟量在本次采样的采样值；
S3：设ADC转换器的采样次数倍数为N，在一个计算周期内进行N次模拟量采样，得到N个采样值；
S4：输出模拟量的N个采样值的均值并进行滤波处理；
S5：采样频率fs为计算频率fc的MN倍，fs＝MNfc；选择合适的M、N的值使fs为fc和fk的公倍数，实现对APF的模拟量采集的过采样。
进一步的，所述的步骤S1中，具体步骤为：设控制器的自带3个ADC转换器，一个ADC转换器的通道数为16个；设APF需要采样的15个模拟量分别为An，Bn，Cn(n＝1，2，3，4，5)；则一个ADC转换器对5个模拟量采样，在一个采样周期中对每个模拟量采样3次，ADC转换器的通道倍频系数为M＝3；则通道倍频后的采样频率fs2＝3fs1＝3fc。
进一步的，所述的步骤S2中，具体步骤为：
S21：模拟量An经过第x次采样得到M个采样结果VAn1～VAnM，将M个采样结果进行平均处理得到模拟量An在第x次采样的采样值为
S22：模拟量Bn经过第x次采样得到M个采样结果VBn1～VBnM，将M个采样结果进行平均处理得到模拟量Bn在第x次采样的采样值为
S23：模拟量Cn经过第x次采样得到M个采样结果VCn1～VCnM，将M个采样结果进行平均处理得到模拟量Cn在第x次采样的采样值为
进一步的，所述的步骤S4中，具体步骤为：
S41：令x＝1，2，…，N，对模拟量An第一次采样得到的采样值为…，第N次采样得到的采样值为/>则通过平均法计算模拟量An的采样值VAn为：
S42：对模拟量Bn第一次采样得到的采样值为…，第N次采样得到的采样值为则通过平均法计算模拟量Bn的采样值VBn为：
S43：对模拟量Cn第一次采样得到的采样值为…，第N次采样得到的采样值为则通过平均法计算模拟量Cn的采样值VCn为：
进一步的，所述的步骤S5中，具体步骤为：
设原始的采样频率fs1＝fc，则通道倍频后的采样频率fs2＝Mfs1＝Mfc；
在一个控制计算周期内，对一个模拟量进行MN次采样，则采样频率fs为计算频率fc的MN倍：
fs＝Nfs2＝MNfs1＝MNfc；
选择合适的M、N的值使采样频率fs为计算频率fc和开关频率fk的最小公倍数：
fs＝[fc，fk]，
实现对APF的模拟量采集的过采样。
一种APF过采样系统，包括带ADC转换器的控制器，控制器用于通过ADC转换器采集APF的模拟量并进行计算处理。
一种计算机存储介质，其内存储有可被计算机处理器执行的计算机程序，该计算机程序执行一种APF过采样方法。
本发明的有益效果为：
1.本发明的一种APF过采样方法、系统和存储介质，在计算频率fc与功率器件的开关频率fk不一致的APF中，通过提高采样频率fs为计算频率fc及开关频率fk的公倍数，抑制了APF输出电流中产生差频次谐波电流，提高了系统稳定性，实现简单、成本低、效果好。
2.本发明通过采用通道采样倍频及增加一个计算周期内的采样次数两种方式组合的方法提高采样频率fs，通过均值算法求采样结果，提高了采样精度，避免了采样尖峰的出现，降低了采样数据的波动率。
3.本发明采用了软件与硬件结合的方法，利用主控芯片CPU的自带模数转换器ADC，发挥CPU最大效能，提高了系统采样频率，通过均值算法求采样结果，实现了对模拟量的过采样，提高了模拟量采样数据精度；通过提高采样频率至计算频率和开关频率的公倍数，避免了APF输出计算频率与开关频率的差频次电流，提高了抗采样尖峰的干扰能力，提高了系统的稳定性；实现成本低，效益高，可操作性强。
附图说明
图1是本发明实施例的流程图。
图2是本发明实施例的ADC通道分配图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明采用主控芯片(CPU)自带的模数转换器(ADC)及对应软件算法控制对APF的采样，设模拟量的采样频率为fs，对APF的控制算法的计算频率为fc，开关频率为fk，频率差为fd；控制算法的计算频率fc为单位时间内控制算法的计算次数，通常模拟量的采样频率fs等于计算频率fc，即做一次AD采样得到一个AD转换结果就进行一次控制算法计算。开关频率fk是指功率主开关器件的PWM波的频率，该频率与控制算法频率没有固定关系，可相同也可不相同，但是在fs与fk不同时就有一个差频fd，详见式(1)：
fd ＝ | fk - fc | (1)
如果有差频fd存在，在APF的输出电流中可能会产生一个fs与fk的差频次的谐波电流信号，该电流信号会引起APF工作不稳定，严重时甚至会引发系统谐振。提高系统模拟量采样频率fs至开关频率fk和计算频率fc的公倍数有效避免了差频次谐波电流的产生；同时提高系统模拟量的采样频率fs即过采样，也增加了采样精度，减少了采样尖峰的出现，提高了系统稳定性。
本发明采用主控芯片(CPU)自带模数转换外设(ADC)及对应软件算法来提高模拟量采样频率，使系统采样频率fs为控制计算频率fc及开关频率fk的最小公倍数，详见式(2)：
fs ＝ [ fc，fk ] (2)
fs是fc和fk的最小公倍数。
此处通过通道倍频的系数记为M，另外一方面因为CPU完成一次整体AD转换所需要的时间比完成一次控制算法的时间相比要短的多，因此可以采用在一个计算周期内进行多次AD采样的方法来提高采样频率，该次数设定为N，因此在一个计算周期内就可对一个模拟量采样了M*N次，共得到M*N个采样结果，在一个计算周期内分别对M次采样结果和N次采样结果做均值化处理，最终以此数值作为控制计算的输入数值进行计算，提高系统对模拟量的采样频率fs为开关频率fk及控制算法的计算频率fc的公倍数，实现模拟量采集的过采样，提高采样精度。
参见图1，本发明的一种APF过采样方法的具体步骤为：
S1：设ADC转换器的通道倍频系数为M，使每个模拟量经过一次采样得到M个采样结果，采样频率fs变为原来的M倍：本发明通过CPU自带的ADC采样模块实现过采样，CPU自带的ADC模块通常含有2～3个ADC转换器，本发明实施例设CPU的ADC模块自带3个ADC转换器，一个ADC转换器一次转换最多16个通道；设APF需要采样的模拟量分别为An，Bn，Cn(n＝1，2，3，4，5)，共15路模拟量，则一个ADC转换器对5个模拟量采样，在一个采样周期中对每个模拟量采样3次，具体分配情况见附图2；由于一个ADC转换器一次转换一个采样序列，因此若在一个采样周期中对每个模拟量采样3次，采样频率变fs为原来的3倍；若对每个模拟量采样2次，则采样频率fs变为原来的2倍。
S2：对一个模拟量在一次采样中得到的M个采样结果进行均值化处理，得到该模拟量在本次采样的采样值：以模拟量A1为例，设模拟量A1经过第x次采样得到M个采样结果VA11～VA1M，将M个采样结果进行平均处理得到模拟量A1在第x次采样的采样值为具体计算公式见式(3)：
步骤S1和步骤S2在提高了采样频率fs的同时有效避免了采样尖峰的出现。
S3：设ADC转换器的采样次数倍数为N，在一个计算周期内进行N次模拟量采样，得到N个采样值，采样频率fs变为步骤S1中的N倍；APF的采样频率fs通常与计算频率fc相等，即采样一次计算一次；但是完成整个模拟量采样的时间比完成一次控制算法的时间要短的多，因此采用在一个计算周期内进行多次模拟量采样的方法来提高采样频率fs。
S4：输出N次模拟量的采样值的均值并进行滤波处理：以模拟量A1为例，第一次采样得到模拟量A1的采样值…，第N次采样得到模拟量A1的采样值/>则通过平均法计算得到模拟量A1最终的采样结果VA1，具体计算公式见式(3)：
VA1即为最后进入控制算法的模拟量的采样值。
S5：在一个控制计算周期内，对每一个模拟量用ADC采样模块总共进行了MN次采样，因此采样频率fs为计算频率fc的MN倍，详见式(4)：
fs ＝ MNfc (4)；
选择合适的M、N的值使fs为fc和fk的公倍数，满足对APF的过采样要求。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种APF过采样方法，其特征在于：设APF的开关频率为fk，对APF的模拟量的采样频率为fs，对APF的控制算法的计算频率为fc，使采样频率fs为计算频率fc和开关频率fk的最小公倍数：
fs＝[fc，fk]，
实现对APF的模拟量采集的过采样；
包括以下步骤：
S1：采用带ADC转换器的控制器对APF的模拟量进行采样，设ADC转换器的通道倍频系数为M，使一个模拟量经过一次采样得到M个采样结果；
S2：对一个模拟量在一次采样中得到的M个采样结果进行均值化处理，得到该模拟量在本次采样的采样值；
S3：设ADC转换器的采样次数倍数为N，在一个计算周期内进行N次模拟量采样，得到N个采样值；
S4：输出模拟量的N个采样值的均值并进行滤波处理；
S5：采样频率fs为计算频率fc的MN倍，fs＝MNfc；选择合适的M、N的值使fs为fc和fk的公倍数，实现对APF的模拟量采集的过采样。
2.根据权利要求1所述的一种APF过采样方法，其特征在于：所述的步骤S1中，具体步骤为：设控制器的自带3个ADC转换器，一个ADC转换器的通道数为16个；设APF需要采样的15个模拟量分别为An，Bn，Cn(n＝1，2，3，4，5)；则一个ADC转换器对5个模拟量采样，在一个采样周期中对每个模拟量采样3次，ADC转换器的通道倍频系数为M＝3；则通道倍频后的采样频率fs2＝3fs1＝3fc。
3.根据权利要求2所述的一种APF过采样方法，其特征在于：所述的步骤S2中，具体步骤为：
S21：模拟量An经过第x次采样得到M个采样结果VAn1～VAnM，将M个采样结果进行平均处理得到模拟量An在第x次采样的采样值为
S22：模拟量Bn经过第x次采样得到M个采样结果VBn1～VBnM，将M个采样结果进行平均处理得到模拟量Bn在第x次采样的采样值为
S23：模拟量Cn经过第x次采样得到M个采样结果VCn1～VCnM，将M个采样结果进行平均处理得到模拟量Cn在第x次采样的采样值为
4.根据权利要求3所述的一种APF过采样方法，其特征在于：所述的步骤S4中，具体步骤为：
S41：令x＝1，2，…，N，对模拟量An第一次采样得到的采样值为…，第N次采样得到的采样值为/>则通过平均法计算模拟量An的采样值VAn为：
S42：对模拟量Bn第一次采样得到的采样值为…，第N次采样得到的采样值为/>则通过平均法计算模拟量Bn的采样值VBn为：
S43：对模拟量Cn第一次采样得到的采样值为…，第N次采样得到的采样值为/>则通过平均法计算模拟量Cn的采样值VCn为：
5.根据权利要求4所述的一种APF过采样方法，其特征在于：所述的步骤S5中，具体步骤为：
设原始的采样频率fs1＝fc，则通道倍频后的采样频率fs2＝Mfs1＝Mfc；
在一个控制计算周期内，对一个模拟量进行MN次采样，则采样频率fs为计算频率fc的MN倍：
fs＝Nfs2＝MNfs1＝MNfc；
选择合适的M、N的值使采样频率fs为计算频率fc和开关频率fk的最小公倍数：
fs＝[fc，fk]，
实现对APF的模拟量采集的过采样。
6.用于权利要求1至权利要求5中任意一项所述的一种APF过采样方法的APF过采样系统，其特征在于：包括带ADC转换器的控制器，控制器用于通过ADC转换器采集APF的模拟量并进行计算处理。
7.一种计算机存储介质，其特征在于：其内存储有可被计算机处理器执行的计算机程序，该计算机程序执行如权利要求1至权利要求6中任意一项所述的一种APF过采样方法。
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