軟件鎖相技術在柴油發(fā)電機組監(jiān)控系統(tǒng)中的應用
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數學模型中，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據處理。
1．3 軟件鎖相的優(yōu)越性
與傳統(tǒng)的硬件鎖相相比，軟件鎖相可以實現硬件鎖相難以實現的要求：
(1)可以利用計算機靈活的處理能力實現優(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限大的直流增益，以實現完全無差調節(jié)。若希望將相乘器產生的倍頻成分濾掉，可以設計一種數字濾波算法，使其在w的倍頻之處為零點，而且在信號變化時可以根據實測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的。
(2)可以強行改變積分值以實現快速鎖定。
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際需要強行賦，這樣能實現一步鎖定。
2 柴油發(fā)電機組監(jiān)控系統(tǒng)中軟件鎖相的實現
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(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 試驗結果
2003年9月25日，上海鐵路分局科委組織有關專業(yè)技術人員，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。測試報告結果如表1所示。
表1 柴油發(fā)電機組監(jiān)控系統(tǒng)測試結果表（摘自鑒定的測試報告）
| 測試時間 | 9：00 | 9：20 | 9：40 | 10：00 | 10：20 | 10：40 | 11：00 | 11：20 | 11：40 |
| 負載（A） | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | 90 | 100 |
| 計量儀表測試值（Hz) | 50.4 | 50.2 | 50.1 | 50.0 | 49.9 | 49.8 | 59.8 | 49.7 | 49.7 |
| 未采用鎖相技術的測量頻率（Hz) | 50.6 | 50.3 | 50.0 | 49.8 | 49.2 | 49.7 | 50.4 | 49.6 | 49.2 |
| 采用鎖相技術的測量頻率（Hz) | 50.4 | 50.3 | 50.0 | 50.0 | 49.9 | 49.9 | 49.7 | 49.6 | 49.7 |
從表中可以看出，未采用軟件鎖相技術的測試軟件，測出的結果因諧波干擾而產生很大的波動，影響了測量的結果，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編制的軟件測量結果和高精度計量儀表的測量結果相符，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。
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