專利名稱：一種無失真數(shù)字差分濾波的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)字差分濾波的方法，尤指一種用于消除直流分量的無失真數(shù)字差分濾波方法。
背景技術(shù)：
通常，正弦交流電流中除了正常的交流電量外，還有各種各樣的諧波噪聲，以及直流分量噪聲。這些噪聲都會給設(shè)備的使用和正常運(yùn)行造成影響，因此要想辦法加以消除。
消除直流分量的常用辦法是采用數(shù)字濾波器先對正弦交流電流進(jìn)行采樣，利用數(shù)字濾波器對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波等處理，再將處理后的數(shù)據(jù)還原為已消除直流分量的正弦交流電流。在微處理機(jī)系統(tǒng)中，數(shù)字濾波器表現(xiàn)為一段代碼或算法。該算法必須具備以下兩種特性快速和靈敏。如果反應(yīng)慢導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)不能及時動作切除故障，從而使設(shè)備受到損傷，或故障擴(kuò)大，因此要求計(jì)算量小，處理時延小(通常要求小于5ms)；而不及時準(zhǔn)確的計(jì)算可能導(dǎo)致判決失誤和錯誤執(zhí)行，給設(shè)備或用戶造成損失。
在進(jìn)行濾波計(jì)算時，正弦交流電量通常表達(dá)為時間的函數(shù)，如I＝Im×sin(2πωt+θ)；其中，I代表電流的瞬時值，Im代表電流的瞬時最大值，ω代表交流電的頻率，θ代表交流電的相位。
另外，如圖1所示，人們還可以用坐標(biāo)平面的矢量(向量)來表示交流電量。矢量的起點(diǎn)在原點(diǎn)，其長度代表了交流電量的幅度Im；其與x軸的夾角代表了其初始相位θ代。
如果I不是單純的交流電，例如，由于某種原因使其中含有直流分量，那么I的實(shí)際表達(dá)式應(yīng)該為I(t)＝Im×sin(2πωt+θ)+I直流(1)根據(jù)采樣定理，如果要采集每秒50周波(ω＝50Hz，每周波20ms)的工頻分量，采樣頻率至少應(yīng)該為被采樣信號頻率的2倍，即每周波(20ms)至少采樣2點(diǎn)。在有高次諧波(2～6次次諧波等)存在的情況下，采樣頻率至少要達(dá)到50×2×6＝600Hz，即每周波(20ms)至少必須采樣12點(diǎn)，采樣間隔為1.667ms。
最簡單的直流濾波方法是在采樣數(shù)據(jù)處理時，用同一周期內(nèi)后一采樣點(diǎn)值減去前一采樣值。由于在兩個采樣點(diǎn)得到的直流分量是一樣的，這樣經(jīng)過相減處理后，直流分量就被消除了。兩個相減的采樣時間之間間隔稱為差分時間窗。
一種現(xiàn)有的用于消除直流分量的數(shù)字差分濾波方法中，時間窗為采樣間隔的1倍，即1.667ms，如圖2所示。被減分量(I)、減數(shù)分量(I’)之間角度相差π/6，與得到的差分量(J)之間構(gòu)成一個等腰三角形。
根據(jù)矢量運(yùn)算及三角關(guān)系運(yùn)算，可得下列關(guān)系式J(ti)＝I(ti)-I(ti-1)i＝1，2，3，.......(2)J(t)＝Jm×sin(2πωt+θ+ψ)(3)ψ＝5π/12 (4)Jm＝sinπ/6×sinψ×Im＝0.518Im(5)經(jīng)過差分濾波后，差分量(J)的波形保持不變，僅幅度和相位發(fā)生改變。幅度為原來的0.518倍，相位超前5π/12。
由于電流信號經(jīng)過該差分計(jì)算后幅度變?yōu)榧s原信號的1/2，存在一定的失真，還會造成設(shè)備的靈敏度降低。同時，濾波處理后的信號相位變化角度為5π/12＝75°，對該相位進(jìn)行還原計(jì)算時還需要查表，不是很方便。
鑒于上述原因，本發(fā)明提出一種無失真的數(shù)字差分濾波方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種無幅度失真、相位還原計(jì)算方便的數(shù)字差分濾波方法。
本發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種無失真數(shù)字濾波方法，包括設(shè)定信號采樣的采樣頻率和差分計(jì)算的差分步長，以采樣頻率對信號進(jìn)行采樣，將每采樣點(diǎn)信號值減去間隔一差分步長的采樣點(diǎn)信號值，將差分計(jì)算得到的信號值進(jìn)行相位還原；其中采樣頻率與信號頻率之比為6的整數(shù)倍，且差分步長為該整數(shù)倍個數(shù)的單位采樣頻率。
濾波前信號表達(dá)式為I(t)＝Im×sin(2πωt+θ)+I直流，其中I代表信號的瞬時值，Im代表信號的瞬時最大值，ω代表信號的頻率，θ代表信號的相位。
濾波后的信號的計(jì)算公式為J(ti)＝I(ti)-I(ti-差分步長)，其中J(ti)表示濾波后信號的瞬時值，I(ti)表示差分計(jì)算中的每采樣點(diǎn)信號值，I(ti-差分步長)表示差分計(jì)算中與每采樣點(diǎn)信號值間隔一差分步長的采樣點(diǎn)信號值。
所述差分計(jì)算中前后兩次讀取的采樣點(diǎn)信號值相位相差π/3。
所述差分濾波后信號相位變化為π/3。
該數(shù)字濾波方法的程序設(shè)計(jì)分為主程序和定時任務(wù)兩個部分，其中，差分濾波計(jì)算在主程序中進(jìn)行，采樣在定時任務(wù)中進(jìn)行。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明將采樣頻率設(shè)定為信號頻率的6的整數(shù)倍，將差分步長設(shè)定該整數(shù)倍個單位采樣頻率，可使得差分計(jì)算后幅度不變，無幅度失真。同時，差分計(jì)算后的信號相位變化的角度為π/3＝60°是一個特殊角，相位還原計(jì)算十分方便。


圖1為交流電流信號的矢量表示示意圖。
圖2為現(xiàn)有的差分濾波算法示意圖。
圖3為本發(fā)明一種無失真數(shù)字差分濾波的算法示意圖。
圖4為本發(fā)明一種無失真數(shù)字差分濾波的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明一種無失真數(shù)字濾波方法，包括設(shè)定信號采樣的采樣頻率和差分計(jì)算的差分步長，以采樣頻率對信號進(jìn)行采樣，將每采樣點(diǎn)信號值減去間隔一差分步長的采樣點(diǎn)信號值，將差分計(jì)算得到的信號值進(jìn)行相位還原；其中采樣頻率與信號頻率之比為6的整數(shù)倍，且差分步長為該整數(shù)倍個數(shù)的單位采樣頻率。
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
首先，選定采樣頻率。采樣頻率可根據(jù)濾波的要求和需要選擇，如6倍信號頻率、12倍信號頻率或18倍信號頻率。本實(shí)施例中選用12倍信號頻率(600Hz)對本發(fā)明進(jìn)行說明。
采樣序列為(單位為秒)ti＝0，1/600，2/600，3/600，4/600，5/600s...，i＝0，1，2...(6)代入(1)式可得I(t0)＝Im×sin(0+θ)+I直流I(t1)＝Im×sin(π/6+θ)+I直流I(t2)＝Im×sin(2π/6+θ)+I直流I(t3)＝Im×sin(3π/6+θ)+I直流I(t12)＝Im×sin(12π/6+θ)+I直流剛好12點(diǎn)采集一個周波。
請參閱圖3所示，本發(fā)明將差分計(jì)算的差分步長由一個單位采樣頻率調(diào)整為2個，即每差分步長對應(yīng)的時間為2×1.667ms。其計(jì)算公式為J(ti)＝I(ti)-I(ti-2)i＝2，3，4，....(7)
如圖3所示的矢量分析，被減分量(I)、減數(shù)分量(I’)之間相差π/3，與得到的差分量(J)之間剛好構(gòu)成一個等邊三角形。這樣，可以得到新的交流電量的解析表達(dá)式為J(t)＝Im×sin(2πωt+θ)-Im×sin(2πω(t-2/600)+θ)令x＝2πωt+θ，則J(t)＝Im×sin(x)-Im×sin(x-π/3)＝Imsin x -Imsin x cosπ/3+Imcos x sinπ/3＝1/2×Imsin x +Imcos x sinπ/3＝Imsin(x+π/3)，即J(t)＝Jm×sin(2πωt+θ+ψ)(8)其中，ψ＝π/3Jm＝Im由公式(8)可得，經(jīng)過差分濾波后，新的交流電量J的波形和幅度都保持不變，信號沒有失真。相位相比原信號超前π/3，相位還原計(jì)算十分方便。
請參閱圖4所示，本發(fā)明無失真數(shù)字濾波方法首先對被濾波信號(正弦電流信號)的采樣頻率及差分步長進(jìn)行設(shè)定。實(shí)施例中采樣頻率為600Hz，約為每1.667ms進(jìn)行一次采樣，差分步長為2個單位采樣頻率，即每采樣信號與約間隔2×1.667ms的采樣信號進(jìn)行一次差分。參數(shù)設(shè)定完成后，濾波器對被濾波信號進(jìn)行采樣/保持，將模擬的被濾波信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，利用上述的差分濾波算法對采樣得到的數(shù)字信號進(jìn)行差分計(jì)算處理，并將差分計(jì)算得到的信號進(jìn)行相位還原。
該數(shù)字濾波方法的程序設(shè)計(jì)分為主程序和定時任務(wù)兩個部分。其中，差分濾波計(jì)算在主程序中進(jìn)行，采樣在另外一個定時任務(wù)中進(jìn)行。主程序的任務(wù)可以被定時任務(wù)搶占。
本發(fā)明將采樣頻率設(shè)定為信號頻率的6的整數(shù)倍，將差分步長設(shè)定為包括該整數(shù)倍個的單位采樣頻率，可使得差分計(jì)算后幅度不變，無幅度失真。同時，差分計(jì)算后的信號相位變化的角度為π/3＝60°是一個特殊角，相位還原計(jì)算十分方便。另外，采用本發(fā)明差分計(jì)算帶來的時延為2/600s＝3.333ms，滿足濾波的時延要求(不超過5ms)。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種無失真數(shù)字濾波方法，包括設(shè)定信號采樣的采樣頻率和差分計(jì)算的差分步長，以采樣頻率對信號進(jìn)行采樣，將每采樣點(diǎn)信號值減去間隔一差分步長的采樣點(diǎn)信號值，將差分計(jì)算得到的信號值進(jìn)行相位還原；其特征在于所述采樣頻率與信號頻率之比為6的整數(shù)倍，且所述差分步長為該整數(shù)倍個數(shù)的單位采樣頻率。
2.如權(quán)利要求1所述的無失真數(shù)字濾波方法，其特征在于所述濾波前信號表達(dá)式為I(t)＝Im×sin(2πωt+θ)+I直流，其中I代表信號的瞬時值，Im代表信號的瞬時最大值，ω代表信號的頻率，θ代表信號的相位。
3.如權(quán)利要求2所述的無失真數(shù)字濾波方法，其特征在于濾波后的信號的計(jì)算公式為J(ti)＝I(ti)-I(ti-差分步長)，其中J(ti)表示濾波后信號的瞬時值，I(ti)表示差分計(jì)算中的每采樣點(diǎn)信號值，I(ti-差分步長)表示差分計(jì)算中與每采樣點(diǎn)信號值間隔一差分步長的采樣點(diǎn)信號值。
4.如權(quán)利要求3所述的無失真數(shù)字濾波方法，其特征在于所述差分計(jì)算中前后兩次讀取的采樣點(diǎn)信號值相位相差π/3。
5.如權(quán)利要求4所述的無失真數(shù)字濾波方法，其特征在于所述差分濾波后信號相位變化為π/3。
6.如權(quán)利要求1所述的無失真數(shù)字濾波方法，其特征在于該數(shù)字濾波方法的程序設(shè)計(jì)分為主程序和定時任務(wù)兩個部分，其中，差分濾波計(jì)算在主程序中進(jìn)行，采樣在定時任務(wù)中進(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種無失真數(shù)字濾波方法，包括設(shè)定信號采樣的采樣頻率和差分計(jì)算的差分步長，以采樣頻率對信號進(jìn)行采樣，將每采樣點(diǎn)信號值減去間隔一差分步長的采樣點(diǎn)信號值，將差分計(jì)算得到的信號值進(jìn)行相位還原；其中采樣頻率與信號頻率之比為6的整數(shù)倍，且差分步長為該整數(shù)倍個數(shù)的單位采樣頻率。本發(fā)明可使得差分計(jì)算后幅度不變，無幅度失真。同時，差分計(jì)算后的信號相位變化的角度為π/3＝60°是一個特殊角，相位還原計(jì)算十分方便。
文檔編號H02M1/12GK1988309SQ20061015709
公開日2007年6月27日 申請日期2006年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月27日
發(fā)明者喻建華 申請人:華為技術(shù)有限公司