專(zhuān)利名稱(chēng)：電力系統(tǒng)衛(wèi)星時(shí)鐘裝置的振蕩器馴服系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電力系統(tǒng)衛(wèi)星時(shí)鐘的振蕩器馴服系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
電力系統(tǒng)覆蓋范圍廣，自動(dòng)化裝置目前很普及，電能功率測(cè)量對(duì)時(shí) 鐘精度要求達(dá)到微秒級(jí)，行波測(cè)距和行波保護(hù)對(duì)時(shí)鐘精度要求達(dá)到微秒 級(jí)。電力系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)如發(fā)電廠、變電站都要求嚴(yán)格的時(shí)間同步。在各種 時(shí)間同步技術(shù)中，衛(wèi)星授時(shí)由于覆蓋面廣，精度高，相對(duì)成本較低的特 點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用。然而衛(wèi)星距離地面上萬(wàn)公里，信號(hào)傳輸易受千擾， 為確保時(shí)鐘的可靠。必須采用本地振蕩器和衛(wèi)星授時(shí)結(jié)合的方法，通常 采用衛(wèi)星接收機(jī)提供的1PPS來(lái)對(duì)本地振蕩器進(jìn)行馴服，得到一個(gè)長(zhǎng)期 和短期穩(wěn)定度都較高的時(shí)鐘。在衛(wèi)星授時(shí)與本地晶振結(jié)合的技術(shù)中，有文獻(xiàn)提出先根據(jù)衛(wèi)星的秒 信號(hào)建立晶振的一元二次方程，對(duì)晶振進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，這種方法需要預(yù) 先對(duì)晶振進(jìn)行大量測(cè)試，由于生產(chǎn)上的差異，模型不具有廣泛的可用性， 如考慮到晶振本身的老化率，該模型將更為復(fù)雜；有文獻(xiàn)采用單片機(jī)讀 入相差，建立了一個(gè)數(shù)字鎖相環(huán)，根據(jù)鎖相環(huán)的輸出調(diào)整恒溫晶振的調(diào) 諧電壓，但文獻(xiàn)沒(méi)有給出鎖相環(huán)的詳細(xì)設(shè)計(jì)；有文獻(xiàn)提出利用相位差來(lái) 獲得頻率差的方法，但沒(méi)有提出相位補(bǔ)償方案;有文獻(xiàn)將衛(wèi)星與短穩(wěn)性 能好的高穩(wěn)晶振結(jié)合，構(gòu)成數(shù)字鎖相環(huán)，以鎖定后的頻率作為直接數(shù)字頻率合成器的參考；該文獻(xiàn)未能詳細(xì)描述數(shù)字鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。 在利用衛(wèi)星授時(shí)接收機(jī)輸出的1PPS時(shí)，諸多文獻(xiàn)談到了利用卡爾曼濾波 來(lái)消除衛(wèi)星的1PPS的抖動(dòng)，也有文獻(xiàn)指出，采用多次測(cè)量取平均的方法 可有效降低衛(wèi)星的1PPS隨機(jī)抖動(dòng)的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)合理，可有效消除累積的相位誤 差，具有很好的跟蹤性能的電力系統(tǒng)衛(wèi)星時(shí)鐘裝置的振蕩器馴服系統(tǒng)。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種電力系統(tǒng)衛(wèi)星時(shí)鐘裝置的振蕩器馴服系統(tǒng)，其特征是包括對(duì) 衛(wèi)星授時(shí)接收機(jī)輸出的1PPS作為基準(zhǔn)與高穩(wěn)晶振分頻輸出的1PPS進(jìn) 行鑒相的數(shù)字鑒相器，數(shù)字鑒相器與比例積分調(diào)節(jié)器連接，比例積分調(diào) 節(jié)器輸出的電壓送至高穩(wěn)晶振壓控控制端，該壓控控制端對(duì)輸出頻率進(jìn) 行微調(diào)，高穩(wěn)晶振與分頻器連接。分頻器輸出端與時(shí)鐘模塊連接。由于采用了比例積分控制，高穩(wěn)晶振輸出的1PPS會(huì)逐步跟蹤衛(wèi)星的1PPS，如衛(wèi)星的1PPS穩(wěn)定，則最終的相位誤差為零。當(dāng)高穩(wěn)晶振的1PPS 鎖定衛(wèi)星的1PPS后，其頻率也得到了校準(zhǔn)。在比例積分調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)時(shí)，比例系數(shù)主要控制跟蹤的快速響應(yīng)，比例系數(shù)越大，其跟蹤越快，超調(diào)量越??；積分系數(shù)主要控制跟蹤的穩(wěn) 態(tài)誤差，但積分環(huán)節(jié)有所滯后。在衛(wèi)星馴服高穩(wěn)晶振系統(tǒng)中，開(kāi)始時(shí)具 有較大相差，需要快速跟蹤；當(dāng)高穩(wěn)晶振穩(wěn)定跟蹤了衛(wèi)星的1PPS后，需 要克服衛(wèi)星的1PPS的抖動(dòng)，此時(shí)需要積分環(huán)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于衛(wèi)星的抖動(dòng)誤差是一個(gè)隨機(jī)誤差，通過(guò)多次取平均可抑制。而積分環(huán)節(jié)的累加自動(dòng) 實(shí)現(xiàn)了抑制抖動(dòng)的作用。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)組成圖。圖2是本發(fā)明系統(tǒng)模型圖。圖3是自適應(yīng)參數(shù)調(diào)節(jié)圖。圖4是仿真的輸入信號(hào)波形圖。圖5是Kp二16， Ki^/16時(shí)仿真的輸出響應(yīng)波形圖。圖6是Kp二l. 6， Ki二O. 625時(shí)仿真的輸出響應(yīng)波形圖。
具體實(shí)施例方式一種電力系統(tǒng)衛(wèi)星時(shí)鐘裝置的振蕩器馴服系統(tǒng)，包括對(duì)衛(wèi)星授時(shí)接 收機(jī)輸出的1PPS作為基準(zhǔn)與高穩(wěn)晶振分頻輸出的1PPS進(jìn)行鑒相的數(shù) 字鑒相器l，數(shù)字鑒相器與比例積分調(diào)節(jié)器2連接，比例積分調(diào)節(jié)器輸 出的電壓送至高穩(wěn)晶振3壓控控制端，該壓控控制端對(duì)輸出頻率進(jìn)行微 調(diào)，高穩(wěn)晶振與分頻器4連接。分頻器輸出端與時(shí)鐘模塊5連接。圖中 還有頻率合成器6、有效性判斷模塊7。將圖l簡(jiǎn)化為控制系統(tǒng)框圖，則可得到圖2。圖中E(S)為得到的相位 差，Kp為比例系數(shù)，Ki為積分系數(shù)。V(S)為比例積分器的輸出量。對(duì)于 壓控的高穩(wěn)晶振而言，輸入的電壓與輸出的頻率有一個(gè)比例關(guān)系，則可 認(rèn)為相當(dāng)于比例環(huán)節(jié)，用^表示。F(S)則表示輸出的頻率，分頻則相當(dāng) 于一個(gè)積分環(huán)節(jié)，輸出的Y(S)表示相位。可見(jiàn)采用PI調(diào)節(jié)器、的衛(wèi)星馴服 高穩(wěn)晶振系統(tǒng)是一個(gè)2階系統(tǒng)。根據(jù)框圖求此2階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，可得 — ■ ( +爭(zhēng)-^ * =柳Gd ，) — WS + ^.aS2.尺f 《， 可見(jiàn)該傳遞函數(shù)是一個(gè)典型的2階系統(tǒng)，具有兩個(gè)極點(diǎn)和一個(gè)零點(diǎn)，分 母可以表示為阻尼系數(shù)《=^s,;諧振頻率《 =#^:2 v《最大超調(diào)量Mp-lOOe-當(dāng)系統(tǒng)構(gòu)建好后，《,基本確定。由上式可見(jiàn)，Kp越大，則阻尼系數(shù)越 大；Ki越大，則諧振頻率越高，達(dá)到穩(wěn)態(tài)值振蕩次數(shù)增加。衛(wèi)星馴服高穩(wěn)晶振的過(guò)程由上分析可見(jiàn)，Kp與Ki的選取決定了系統(tǒng)的跟蹤響應(yīng)。衛(wèi)星馴服高穩(wěn)晶振的過(guò)程分為兩步1 、 頻率校準(zhǔn)在這個(gè)階段，高穩(wěn)晶振的分頻秒開(kāi)始跟蹤衛(wèi)星的1PPS;此時(shí)由于存在一 定相位差，并且高穩(wěn)晶振的控制電壓端電壓尚未建立，高穩(wěn)晶振的頻率 還存在一定的偏差，在這個(gè)階段，主要進(jìn)行頻率的校準(zhǔn)，并逐步消除相 位差。2、 頻率鎖定當(dāng)頻率校準(zhǔn)階段完成后，高穩(wěn)晶振的頻率基本得到校準(zhǔn)，與衛(wèi)星的1PPS 相差維持在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，此時(shí)進(jìn)入頻率鎖定階段；在這個(gè)階段， 主要克服電路的不穩(wěn)定導(dǎo)致控制電壓的偏差和高穩(wěn)晶振自身頻率的漂 移。在這個(gè)階段，由于晶振的頻率已得到校準(zhǔn)，其輸出的分頻1PPS穩(wěn)定 度較高，而衛(wèi)星的1PPS具有一定的抖動(dòng)，因此需要降低衛(wèi)星的1PPS抖 動(dòng)帶來(lái)的影響。通過(guò)分析衛(wèi)星馴服高穩(wěn)晶振的過(guò)程，可以看到，在頻率校準(zhǔn)階段，需要 快速的實(shí)現(xiàn)相位跟蹤，并且避免較大的相位超調(diào)量，因此可以采用較大 的Kp;在頻率鎖定階段，需要避免衛(wèi)星接收機(jī)秒的抖動(dòng)，可采用較小的Kp;在頻率鎖定階段，對(duì)頻率的調(diào)整在一個(gè)小范圍內(nèi)進(jìn)行，為避免相位的突變，頻率的調(diào)整應(yīng)緩慢進(jìn)行，此時(shí)衛(wèi)星的1PPS的控制應(yīng)減弱，Ki 也應(yīng)減小。Kp， Ki的變化過(guò)程如圖3所示。當(dāng)頻率校準(zhǔn)階段完成后，高 穩(wěn)晶振的控制電壓值保持穩(wěn)定，此時(shí)如改變比例積分系數(shù)，會(huì)導(dǎo)致控制 電壓變化；為防止控制電壓值的突變，系數(shù)的改變逐步進(jìn)行。因此在頻 率校準(zhǔn)和頻率鎖定階段，還有一個(gè)參數(shù)調(diào)整階段。 自適應(yīng)PI調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)PI調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)描述如下 PI調(diào)節(jié)器為比例積分調(diào)節(jié)。數(shù)字鑒相器采用脈沖間隔計(jì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，在衛(wèi) 星的1PPS和分頻1PPS之間用10M脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。數(shù)字鑒相器每秒送出一 個(gè)脈沖間隔計(jì)數(shù)值，PI調(diào)節(jié)器為離散控制器，根據(jù)當(dāng)前的計(jì)數(shù)值和以往 的計(jì)數(shù)值，每秒計(jì)算出一個(gè)調(diào)節(jié)值，其調(diào)節(jié)器的計(jì)算如下式所示<formula>formula see original document page 7</formula>該調(diào)節(jié)值通過(guò)一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬電壓，施加在高穩(wěn)晶振的控制 電壓輸入端，實(shí)現(xiàn)對(duì)高穩(wěn)晶振頻率的微調(diào)作用。 設(shè)在第"="。后系統(tǒng)進(jìn)入?yún)?shù)調(diào)整狀態(tài)，^后系統(tǒng)進(jìn)入頻率鎖定，則〖 i -力.("-"o),"。 尺,i, w < w0尺n - , ("-"o),M。 < 《2, w > %式中，^^，~2分別為調(diào)整前后的比例系數(shù)，人為比例系數(shù)的調(diào)整系數(shù)； 分別為調(diào)整前后的積分系數(shù)，/為積分系數(shù)的調(diào)整系數(shù)。在MATLAB里建立晶振馴服的模型，取Kp^6，Ki4/16,通過(guò)計(jì)算系統(tǒng)的前向增益系數(shù)，可得[=0力1953125 。則系統(tǒng)模型為 m 0.304 + 0.0011875S2+0.304S + 0細(xì)節(jié) 在頻率校準(zhǔn)階段，此時(shí)晶振頻率存在一個(gè)偏差，晶振馴服的目的是糾正這個(gè)頻率偏差，系統(tǒng)跟蹤的過(guò)程相當(dāng)于對(duì)階躍信號(hào)的響應(yīng)；在頻率跟蹤 階段，由于頻率已基本穩(wěn)定，該階段目的是防止衛(wèi)星秒突然跳動(dòng)對(duì)輸出 頻率造成大的波動(dòng)，而對(duì)衛(wèi)星秒的波動(dòng)的響應(yīng)則相當(dāng)于對(duì)沖擊信號(hào)的響 應(yīng)。因此構(gòu)建如下輸入信號(hào)^): 一)="(卜0 +外-"，G:階躍信號(hào)施加時(shí)刻，"沖激信號(hào)施加時(shí)刻。激勵(lì)信號(hào)如圖4所示，當(dāng)Kp二16， Ki二O. 0625時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)如圖5所示，當(dāng)Kp二l. 6， Ki=0. 00625時(shí)系 統(tǒng)響應(yīng)如圖6所示。可見(jiàn)較小的比例積分系數(shù)降低了脈沖抖動(dòng)帶來(lái)的影響。
權(quán)利要求
1、一種電力系統(tǒng)衛(wèi)星時(shí)鐘裝置的振蕩器馴服系統(tǒng)，其特征是包括對(duì)衛(wèi)星授時(shí)接收機(jī)輸出的1PPS作為基準(zhǔn)與高穩(wěn)晶振分頻輸出的1PPS進(jìn)行鑒相的數(shù)字鑒相器，數(shù)字鑒相器與比例積分調(diào)節(jié)器連接，比例積分調(diào)節(jié)器輸出的電壓送至高穩(wěn)晶振壓控控制端，該壓控控制端對(duì)輸出頻率進(jìn)行微調(diào)，高穩(wěn)晶振與分頻器連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力系統(tǒng)衛(wèi)星時(shí)鐘裝置的振蕩器馴服系 統(tǒng)，其特征是分頻器輸出端與時(shí)鐘模塊連接。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種電力系統(tǒng)衛(wèi)星時(shí)鐘裝置的振蕩器馴服系統(tǒng)，包括對(duì)衛(wèi)星授時(shí)接收機(jī)輸出的1PPS作為基準(zhǔn)與高穩(wěn)晶振分頻輸出的1PPS進(jìn)行鑒相的數(shù)字鑒相器，數(shù)字鑒相器與比例積分調(diào)節(jié)器連接，比例積分調(diào)節(jié)器輸出的電壓送至高穩(wěn)晶振壓控控制端，該壓控控制端對(duì)輸出頻率進(jìn)行微調(diào)，高穩(wěn)晶振與分頻器連接。本發(fā)明結(jié)構(gòu)合理，可有效消除累積的相位誤差，具有很好的跟蹤性能的電力系統(tǒng)衛(wèi)星時(shí)鐘的振蕩器馴服系統(tǒng)。由于采用了比例積分控制，高穩(wěn)晶振輸出的1PPS會(huì)逐步跟蹤衛(wèi)星的1PPS，如衛(wèi)星的1PPS穩(wěn)定，則最終的相位誤差為零。當(dāng)高穩(wěn)晶振的1PPS鎖定衛(wèi)星的1PPS后，其頻率也得到了校準(zhǔn)。
文檔編號(hào)H03L7/00GK101582690SQ200910032708
公開(kāi)日2009年11月18日 申請(qǐng)日期2009年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月26日
發(fā)明者單慶曉, 炎 姜, 俊 楊, 盛東林, 鏗 陳, 陳巍巍, 黃凱晨 申請(qǐng)人:江蘇北斗科技有限公司