基于AVR單片機的新型自動準同期裝置的設計

電壓的測量和計算涉及到交流采樣技術。交流采樣，就是直接對交流電氣信號的瞬時值進行采樣，再用一定的數值算法求得所關心的信號參數或信息。交流采樣有異步采樣和同步采樣兩種，其中后者應用較多。同步采樣又可以分為硬件同步(PLL鎖相環技術)和軟件同步。軟件同步就是利用處理器的中斷性能跟蹤周期的變化且均勻地采樣。這就是所謂的頻率跟蹤。在數據處理方面，本文采用將正弦周期信號展開成為傅立葉級數的形式，然后再離散化，進而求出電壓有效值。

具體而言，交流信號用 表示。下面是計算的詳細過程。

將周期信號展開成為傅立葉級數的形式：

當 時，可以推出

由7式可以看出只要求 和 ，就可以求出基波的最大值和有效值。同理可以求出其他高次諧波的相關值。將公式2和公式3離散化，則可以在程序中實現

和 的計算。也就是

其中，N為同步采樣點數。

相角的測量有兩種實現途徑。一種是主要依賴硬件，軟件起輔助作用。另一種則完全依賴軟件，采用不同的算法。前者的誤差主要來自硬件，后者的誤差主要是算法所帶來的。Atmega128的16位定時器T1/C1和T3/C3均具有輸入捕獲的功能，可以利用兩者對兩側交流信號上升沿進行捕獲，捕獲的時間差與周期進行比較，就可以折算出兩者之間的相差。

但是，遲滯比較器的存在使輸出對輸入信號的幅值敏感 ，輸入信號幅值越大，相移越小，也就是說在電壓比較低的時候，誤差會比較大。完全依賴軟件的測量辦法很多，本裝置的實現方法如下：

則它們的相位差為 。可以推導

兩邊同時積分得

離散化得到

其中N為每周期采樣點數。將左邊應用泰勒級數展開，得到

根據公式18，可求出相差。為了更高精度，可以展開成為高階級數。

3 同期過程流程圖

筆者所設計的同期裝置的同期過程見上圖所示。其中，頻率要優先調節。頻差在要求范圍內時，才可以轉去調節電壓。每次同期操作要設定同期時限，在規定時間內各項指標不能達到定值要求，則此次同期操作失敗。

總結

本文介紹的準同期裝置設計方案最大程度利用了硬件資源，減少了軟件誤差。裝置投入使用后經過測試可以達到機組開關的同期要求，有一定推廣價值。