数字带通滤波器在有源滤波器中的应用

引用 数字带通滤波器在有源滤波器中的应用 引言 近年来，有源滤波器已成为电力系统研究领域中的热点。在各种电力有源滤波器中，基 波或谐波检测是一个重要的环节。目前研究最为广泛的基波或者谐波检测 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，是基于瞬时 无功功率理沦的谐波检测 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ，这种方法要用到低通或高通滤波器，滤波器阶数越高，检测 精度越高，动态过程就越长，即存在检测精度和检测实时性的矛盾。而传统的离散傅立叶变 换由于固有的一个周期延迟。并且计算量大，被认为不能实时补偿电力系统谐波。 基于数字带通滤波器的谐波检测是一种很好的瞬时谐波检测方法，可以准确有效地从负 载电流中分离出基波分量。本文通过分析和实验证明了这种方法的可行性，并且讨论了带通 滤波器的设计方法。 1 模拟和数字带通滤波器的比较 模拟带通滤波器一般是用电路元件(如电阻、电容、电感)来构成我们所需要的频率特性 电路。模拟带通滤波器的原理是通过对电容、电阻和电感参数的配置，使得模拟滤波器对基 波呈现很小的阻抗，而对谐波呈现很大的阻抗，这样当负载电流信号通过该模拟带通滤波器 的时候就可以把基波信号提取出来。目前，有些有源滤波器利用模拟电路实现带通滤波器检 测负载电流的基波分量，并且在实际中得到了应用。 但是，模拟带通滤波器也有一些自身的缺点。这是由于模拟滤波器的中心频率对电路元 件(如电容，电阻，电感)的参数十分敏感，较难设计出合适的参数，而且电路元件的参数会 随外界环境的干扰发生变化，这会导致中心频率的偏移，影响滤波结果的准确性。 数字带通滤波器就是用软件来实现上面的滤波过程，可以很好地克服模拟滤波器的缺 点，数字带通滤波器的参数一旦确定，就不会发生变化，只要电网的波动频率在我们设计的 范围之内，就可以比较好地提取出基波分量。 2 基于带通滤波器的谐波检测原理 以二阶带通滤波器为例，二阶带通滤波器传递函数的典型表达式为: 式中：ωo=2πfo，是中心角频率，fo是中心频率；Q是品质因数。 当ω=ωo时，H(iωo)=1。这说明带通滤波器在中心角频率ωo处的幅值尤衰减，相位无 延时，这是带通滤波器的重要特性。这一特性保证了基于带通滤波器的谐波检测方法的准确 性。 在有源滤波器里我们选择带通滤波器的中心频率 fo为50Hz，则带通滤波器对基波幅疽 无衰减，相位无延时，其它次谐波均被滤除，这就能实时地检测出基波。负载电流 ia、ib、 ic通过带通滤波器得到三相的基波电流 ia1、ib1、ic1，用负载电流减去基波电流即可得到 三相的谐波电流 iah、ibh、ich。据此，谐波电流检测原理如图1所示。这种检测方法不需要 坐标变换，只需要对三相电流分别进行带通滤波，大大减少了计算量。 3 数字带通滤波器的设计与实现 数字滤波器根据其类型可以分为 IIR型和 FIR 型。PIR型只有零点，不容易像 IIR型那 样取得比较好的通带与阻带特性．所以，在一般的设计中选用 IIR 型。IlR 型又可以分成 Butterworth型滤波器，Chebyshev I型滤波器，Chcbyshev Ⅱ型滤波器和椭圆型滤波器等。 MATLAB工具箱里面的数字滤波器设计工具 FDATool可以帮助大家方便地选择和设计所需 要的数字滤波器。 数字带通滤波器的主要参数包括阶数、滤波器类型、两个截止频率等。高阶滤波器的阻 带衰减特性很好，但是，阶数高了之后难以实现。而对于有源滤波器来说，基波和主要谐波 的频率相隔比较大，所以对阻带衰减率的要求不是很高，选用2阶滤波器就可以满足条件； 又因为 Buttermorth滤波器在通带内特性较平，而且实现起来比较简单，经综合考虑后，选 用2阶 Butterworth 带通滤波器。 滤波器截止频率的选取和品质因数 Q密切相关。Q越大，对谐波衰减越快，经带通滤 波器提取出的基波分量越精确；但是，Q越大，带宽越小，动态响应速度会越慢，还会使数 字滤波器的参数相差倍数过大，将增高对字长的要求。带通滤波器的通带宽度 BW=ωo／ (2πQ)=fo／Qofo是系统的中心频率。这里我们 Q取在5左右，使得带宽大概在10Hz左右。 选取两个截止频率分别为45Hz和55.6Hz。这里要注意的是。由于带通滤波器的幅频特性的 不对称性，中心频率并不是两个截止频率的平均值。两个截止频率的选取 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 是保证50Hz 中心频率的相移为 O并且幅值没有衰减。根据上面的标准设计出滤波器传递函数为: 滤波器的幅频和相频特性如图2及图3所示。 带通滤波器的实现就是在 DSP 芯片中实现式(2)的传递函数，为了便于程序实现，将式 (2)改成差分方程的形式，如式(3)所示。 y(n)=0.003319x(n)-0.003319x(n-2)+1.9924y(n-1)-O.9934y(n-2) (3) 用 DSP 实现上面的差分方程主要是用3个存储器单元来保存 x(n)，x(n-1)，x(n-2)的值， 3个存储单元存储 y(n)，y(n-1)，y(n-2)的值，在每一次中断程序中根据式(3)更新这6个存储 单元的数值，最后输出的 y(n)就是滤波之后的基波数值。如果采用其他形式的滤波器所需要 的中间存储单元的数目可能是不一样的，要根据差分方程里面 x(n)和 y(n)的项数来确定。 如果带通滤波器程序是在定点 DSP 实现的话，还要注意滤波器系数的小数点位置选择。 数字滤波器系数对滤波器性能影响非常大，一旦滤波器参数相差哪怕是很小一点，滤波器的 输出就可能和正确数值相差很远，有时候还可能会使得系统不稳定，所以，应该尽量把系数 放大之后冉计箅。这里我们根据3个系数(0.003319，1.9924，O.9934)和 DSP(16位定点) 的特点，把所有的系数都放大214倍，滤波运算结束之后再缩小214倍，使汁算的结果尽量 准确。在滤波器实现中要根据滤波器系数来选择适当的放大倍数，原则就是尽量用满处理器 的位数(这里就是16位)，这一点非常重要。 4 系统仿真和试验结果 实验系统为三相并联型有源滤波器。检测部分的框图如图4所示，其中虚线部分是直流 侧电压控制部分。系统的原理是：首先，负载电流通过带通滤波器之后得到基波电流 ia1、 ib1、ic1；然后，叠加上维持直流侧电压所需要的有功电流△iap、△ibp、△icp，再从总的 负载电流中减去这部分电流，得到的就是三相指令电流值；最后，对指令电流值进行 PI 调 节控制逆变器的输出，将谐波电流反相注入电网，使得电网的电流基本为正弦波。 系统仿真采用 MATLAB里面的 Simulink模块，仿真的结果如图5所示。从图5可以看出， 补偿之后的电网电流比补偿以前的电流波形大大改善。 实验样机容量设计为6kW，输入电压为三相380V，负载为三相不控整流桥．控制部分 以 TI公司的 TMS320LF2407 DSP 为核心，负责谐波电流计算和 PWM输出控制。 程序主要部分是在 AD采样中断里面完成的，在 AO中断程序里，首先根据三相的电压 和电流采样数值，利用式(3)计算出滤波以后的电流，再汁算出指令电流值，最后通过 PI调 节之后送给 PWM发生电路，控制逆变器的输出。 图6是程序的中间计算结果，图中1为 DSP采样的电网电压，2为 DSP 采样的负载电流， 3是负载电流通过带通滤波器得到的基波分量，从图6中可以看出，带通滤波器可以很好地 分离出负载电流的基波分量。 图7为系统的实验波形，其中图7(a)为有源滤波器投入前的电网电压和电流波形，图7(b) 是有源滤波器投入后的电网电压和电流波形，从图7(b)可以看出，基于带通滤波器的有源滤 波器能起到很好的谐波抑制作用。 5 结语 本文提出了一种基于带通滤波器的谐波检测方法，并通过仿真和实验验证了这种方法在 并联型有源滤波器中应用的可行性。得到的主要结论如下： 1)利用带通滤波器可以比较好地检测出负载电流中的基波分量； 2)由于滤波器负载电流一般没有偶次谐波，如果是三相对称系统也没有3次以及3的倍数 次谐波，所以，只要带通滤波器的中心频率是50Hz，带宽对系统的影响不是很大，但是， 带通滤波器的相频特性对系统的影响比较大； 3)试验证明基于带通滤波器的并联型有源滤波器可以有效抑制电网的谐波电流，但是， 这种方法的缺点是它不能同时补偿无功功率。 摘 要：介绍 PLC 应用中软件滤波功能、方法，以及台达 PLC 在自动控制中软件滤波程序应 用。 关键词：PLC 模拟量采集 噪声和干扰 滤波电路 滤波方法 闭环调节 1 引言 工业自动化系统中的大型系统或是小型设备，均含有各种噪声和干扰。干扰既有来自信 号源本体或传感器，也有来自外界干扰。为了进行准确测量和控制，必须消除被测信号中的 噪声和干扰。特别是随着自动化程度的提高，许多控制功能通过自动闭环调节来完成，设备 控制的效果取决于外部模拟量采集、控制算法、执行输出等等环节，而在现场工业环境中， 电磁干扰、电源干扰、甚至于传感器本身都会影响外部信号，导致得到的数据失真、波动， 如果在数据采集环节即出现问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，那整个系统将无法正常工作。本文分析解决的是如何利用 软件数字滤波的方式处理外部信号的正确采集，从而才能得到真实的数据，实现自动控制， 否则设备的自动化控制将无从谈起。 2 软件滤波功能简介 2.1 软件滤波 软件滤波即是通过软件算法将数据进行适当处理，从而屏蔽掉噪声和干扰杂波信号，获 得可用的真实数据的一种方法，也可以说是通过程序处理的方式完成数据采集信号的处理。 对于采集信号的处理，除了软件滤波之外，也可以采用硬件电路实现滤波处理，比如常 见的 RC 滤波、LC 滤波等等，图1为采用电容滤波电路的信号曲线。 硬件滤波的优点在于我们在程序中不再需要进行复杂的程序处理，而且数据变化响应性 高；而软件滤波的优势在于不需要硬件的投入，简化了电路设计，对于不同的信号干扰可以 很方便的调整软件参数达到滤波效果，虽然有些方法在信号处理上会有一定的滞后，但只要 合理使用各种不同的滤波方式则完全避免因此而带来的影响。 2.2 数字软件滤波优点 (1) 数字滤波用软件实现，不需要增加硬设备，因而可靠性高、稳定性好，不存在阻抗匹配 问题。 (2) 模拟滤波通常是各通道专用，而数字滤波则可多通道共享，从而降低了成本。 (3) 数字滤波可以对频率很低(如0.01 Hz)的信号进行滤波，而模拟滤波由于受电容容量的 限制，频率不可能太低。 (4) 数字滤波可以根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便、功 能强的特点。 3 实现软件滤波的方法 软件滤波有很多种方法，主要是针对不同干扰信号采取不同的方法将其消除，这里列举 了一些方法并针对性说明有缺点，使大家可以正确选择采用的滤波方法。 3.1限幅滤波法 （1）方法。根据经验判断，确定两次采样允许的最大偏差值（设为 A），每次检测到新值时 判断：如果本次值与上次值之差<=A,则本次值有效；如果本次值与上次值之差>A,则本次值 无效,放弃本次值,用上次值代替本次值。 （2）优点。能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰。 （3）缺点。无法抑制周期性的干扰，平滑度较差。 （4）分析。限幅滤波法是比较简单易行的一种方法，难点在于需要由经验判断合理的偏差 值，如果偏差值设小了，起不到滤波作用，设定过大，将不能及时采集外部信号的细小变化。 3.2中位值滤波法 （1）方法。连续采样 N 次（N取奇数），把 N 次采样值按大小排列，取中间值为本次有效值。 （2）优点。能有效克服因偶然因素引起的波动干扰，对温度、液位的变化缓慢的被测参数 有良好的滤波效果 （3）缺点。对流量、速度等快速变化的参数不宜。 （4）分析。采样次数决定了滤波效果，次数越大，滤波作用越大，但不能对信号进行快速 响应。 3.3算术平均滤波法 （1）方法。连续取 N 个采样值进行算术平均运算。N值较大时：信号平滑度较高，但灵敏 度较低；N值较小时：信号平滑度较低，但灵敏度较高。N 值的选取：流量，N=12；压力： N=4。 （2）优点。适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波，这样信号的特点是有一个平均值， 信号在某一数值范围附近上下波动。 （3）缺点。对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实时控制不适用，比较浪费 RAM。 3.4递推平均滤波法 （1）方法。连续取 N 个采样值，作为一个队列，每次采样到一个新数据放入队尾,并扔掉原 来队首的一次数据，把队列中的 N 个数据进行算术平均运算,就可获得新的滤波结果。N 值 的选取：流量，N=12；压力：N=4；液面，N=4～12；温度，N=1～4。 （2）优点。对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，适用于高频振荡的系统。 （3）缺点。灵敏度低，对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用较差，不易消除由于脉冲干扰 所引起的采样值偏差，不适用于脉冲干扰比较严重的场合，比较浪费 RAM。 3.5一阶滞后滤波法 （1）方法。取 a=0～1，本次滤波结果=（1-a）*本次采样值+a*上次滤波结果。 （2）优点。对周期性干扰具有良好的抑制作用，适用于波动频率较高的场合。 （3）缺点。相位滞后，灵敏度低，滞后程度取决于 a 值大小，不能消除滤波频率高于采样 频率的1/2的干扰信号。 3.6消抖滤波法 （1）方法。设置一个滤波计数器，将每次采样值与当前有效值比较：如果采样值＝当前有 效值，则计数器清零；如果采样值<>当前有效值，则计数器+1，并判断计数器是否>=上限 N(溢出)；如果计数器溢出,则将本次值替换当前有效值,并清计数器。 （2）优点。对于变化缓慢的被测参数有较好的滤波效果,可避免在临界值附近控制器的反复 开/关跳动或显示器上数值抖动。 （3）缺点。对于快速变化的参数不宜，如果在计数器溢出的那一次采样到的值恰好是干扰 值,则会将干扰值当作有效值导入系统。 4 台达 PLC 软件滤波应用 上面简单描述了六种滤波的方法，实际上滤波的方法很多，而且针对不同的信号可以将 两种或三种方法综合使用以满足信号处理的要求。 台达 PLC 的模拟量采集主要有模块和混合型主机两种。 4.1使用模拟量采集模块 台达模拟量模块分为两大类，-S和-H，分别配合SS/SA/SC主机和EH主机，如DVP04AD-S、 DVP06XA-S、DVP04PT-S、DVP04TC-S 为-S 模块，DVP04AD-H、DVP06XA-H、DVP04PT-H、DVP04TC-H 为-H 为-H 模块。无论哪一款模块，对应模块每个输入通道都有软件滤波功能，也就是模块 内部控制寄存器中的平均次数设置（通道独立），在此采用的是递推平均滤波法，设置的次 数是上文中提到的采样 N值，可以设置1～20，不同的滤波系数适应不同的信号，另外当输 入有杂波造成配线受噪声干扰时还可以连接0.1～0.47 μF 25V 做电容滤波，即硬件滤波， 如图2所示。 图2 硬件滤波 4.2 混合型主机 台达也提供集成模拟量的主机类型，主要有 DVP20EX（8DI/6DO/4AI/2AO）和 DVP10SX(4DI/2DO/2AI/2AO)，以及在 EH 主机上可以扩展 F2AD 卡作为模拟量采集，在 PLC 中有平均次数设置的内部特殊寄存器 D1062，可以设置1～4作软件滤波，同样的采用的也是 递推平均滤波法。 可以看出，台达 PLC 作为工业控制产品，在模拟量采集的处理上作了比较完善的软、硬 件处理满足大多数应用场合，当然并不是说他能满足所有的信号处理，特别是混合型主机的 平均次数比较少，因此可能在某些场合不能满足要求，在此基础上我们可以根据现场信号的 不同特性在程序中作滤波处理。 4.3 基于台达 PLC 的一阶滞后滤波程序设计 下面是以燃煤热水锅炉系统的炉膛微负压为设计背景，用台达 PLC 编制的一个一阶滞后 滤波程序案例，以此简单介绍滤波程序的编写方法。 案例采用氧化硅压力传感器测量，由于炉膛负压是一个较小的压力量，大概在正负几百 帕之间，很容易受到外界影响（如鼓风机、引风机等），因此这是一个波动较大的采集量， 如果直接使用采集值，波动将很大（可能是正负几十帕的波动），根本没有办法调节控制到 正负20Pa，因此必须对采集值作处理，减小其周期性波动才能完成控制。 一阶滞后滤波算法公式： 滤波后输出值=（1-A）* 本次采样值 + A*上次滤波结果 其中 A 为滤波系数，范围是0～1 程序中各寄存器定义： D0: 滤波系数 A D2: 1- A D4: “（1-A）* 本次采样值”的运算结果 D6：“A*上次滤波结果”的存储寄存器 D50：上次滤波暂存值 D110: 采集值通过 FLT 指令转换为浮点数 D150：滤波后结果 程序中主要是将直接采集值经过上述公式的浮点数运算得到滤波后结果，从算法中可以 看出，当滤波系数为0时，就是当前的采集值，而滤波系数越大，滤波作用越强。程序运行 后可以看到，当采集值 D110有变化时，滤波值是逐渐逼向当前采集值，因此对于突波信号 具有抑制作用，使采集值比较稳定，减小波动。 5结束语 本文介绍了6种数字软件滤波算法和台达 PLC 如何实现滤波的程序编制，每种滤波算法 都有其各自的特点，在实际应用中，应根据具体的测量参数合理的选用。不适当地应用数字 滤波，不仅达不到滤波效果，反而会降低控制品质，甚至失控，这点必须予以注意。 在案例中通过一阶滞后滤波算法得到的滤波结果，大大消除了采集值的波动，使负压控 制相对稳定，得到较好的控制效果。