基于諧波檢測(cè)中的數(shù)字低通濾波器的MATLAB設(shè)計(jì)

1、基于諧波檢測(cè)中的數(shù)字低通濾波器的matlab設(shè)計(jì)因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)中非線性元件的大量用法，使得諧波污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻，當(dāng)諧波含量超過(guò)一定限度時(shí)就可能對(duì)電網(wǎng)和用戶造成極大的危害，且增強(qiáng)線路損耗，降低線路傳輸能力，干擾通信信號(hào)等。因此，應(yīng)當(dāng)樂(lè)觀尋覓一種治理諧波污染的有效手段。目前有源電力(apf)是治理電網(wǎng)諧波污染的一種有效手段，apf的補(bǔ)償原理是實(shí)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)與系統(tǒng)中的無(wú)功和睦波大小相等、方向相反的補(bǔ)償電流，用以抵消非線性負(fù)載產(chǎn)生的無(wú)功和睦波電流，使流入電網(wǎng)的電流全是有功重量，因此無(wú)功和睦波電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)就成為實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵。而諧波及無(wú)功電流的檢測(cè)實(shí)質(zhì)就是的設(shè)計(jì)。本文利用matlab中的fdatool實(shí)現(xiàn)

2、了對(duì)數(shù)字低通濾波器模型的迅速設(shè)計(jì)，并采納語(yǔ)言在上實(shí)現(xiàn)。1 低通濾波器的挑選濾波器有模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩種。這里選用數(shù)字濾波器，由于它相對(duì)于模擬濾波器更簡(jiǎn)單舉行濾波代數(shù)運(yùn)算，而且它不會(huì)像模擬濾波器那樣隨時(shí)光、溫度、漂移，還有就是它能實(shí)現(xiàn)近似抱負(fù)的響應(yīng)和線性相位，所以能更好地達(dá)到諧波檢測(cè)的實(shí)時(shí)性和精確性的要求。數(shù)字濾波器有無(wú)限沖激響應(yīng)(iir)系統(tǒng)和有限沖激響應(yīng)(fir)系統(tǒng)兩種。雖然fir濾波器相對(duì)于iir濾波器可以得到嚴(yán)格的線性相位，但在相同技術(shù)指標(biāo)下，iir濾波器因?yàn)榇嬖谳敵鰧?duì)輸入的反饋，因而可用大約110"15fir濾波器的階數(shù)來(lái)滿足指標(biāo)的要求，從而使得所用空間少，運(yùn)算次數(shù)少

3、，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。因?yàn)橹C波檢測(cè)環(huán)節(jié)對(duì)相位要求不高，而對(duì)計(jì)算速度要求極高，因此挑選iir濾波器作為討論的對(duì)象。2 利用matlab設(shè)計(jì)iir濾波器目前數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)有許多現(xiàn)成的高級(jí)語(yǔ)言設(shè)計(jì)程序，但他們都存在設(shè)計(jì)效率較低，不具有可視圖形，不便于修改參數(shù)等缺點(diǎn)，而matlab為數(shù)字濾波的討論和應(yīng)用提供了一個(gè)直觀、高效、便捷的工具。它以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ)，把計(jì)算、可視化、程序設(shè)計(jì)融合到了一個(gè)交互式的工作環(huán)境中。尤其是matlab工具箱使各個(gè)領(lǐng)域的討論人員可以直觀而便利地舉行科學(xué)討論與工程應(yīng)用。其中的信號(hào)處理工具箱、圖像處理工具箱、小波工具箱等更是為數(shù)字濾波討論的蓬勃進(jìn)展提供了可能。21 在matlab中舉行設(shè)

4、計(jì)許多文獻(xiàn)中在利用matlab設(shè)計(jì)iir數(shù)字濾波器時(shí)，采納先設(shè)計(jì)一個(gè)模擬濾波器，然后利用脈沖響應(yīng)不變法或者雙線性變換法，將模擬濾波器的傳輸函數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)，設(shè)計(jì)過(guò)程比較復(fù)雜，編寫的程序比較長(zhǎng)，沒有很專業(yè)的學(xué)問(wèn)是設(shè)計(jì)不出來(lái)的。而本文利用fdafool工具可以十分便利地設(shè)計(jì)出數(shù)字濾波器。fdatool(filter design&analysis tool)是matlab中的一種圖形用戶工具，為濾波器的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)綜合、簡(jiǎn)便的圖形用戶界面。本文要設(shè)計(jì)一個(gè)諧波檢測(cè)中的低通濾波器，對(duì)于三相電路而言，其溝通側(cè)主要是5次和7次諧波，因此本文設(shè)計(jì)的低通濾波器的指標(biāo)為：模擬信號(hào)采樣頻率

5、fs=2000hz，通帶截止頻率fpass=100hz，阻帶截止頻率fstop=200hz，通帶波動(dòng)不大于01db，阻帶衰減不小于32db。在圖1界面中設(shè)置好參數(shù)，并且挑選iir中的elliptic濾波器，然后點(diǎn)擊design filter，即可得到所設(shè)計(jì)濾波器的模型：order(階)=4，sections(節(jié))=2，并可觀看其幅度響應(yīng)、相位響應(yīng)，還可以觀看脈沖響應(yīng)、階躍響應(yīng)、濾波器的零極點(diǎn)繪制圖以及系統(tǒng)函數(shù)的各個(gè)系數(shù)等指標(biāo)。22 利用simulink檢驗(yàn)濾波效果打開simulink新建一個(gè)文件untitledl2，在fdatool界面中點(diǎn)擊realize model，將設(shè)計(jì)好的濾波器模型導(dǎo)入

6、simulink中，然后添加三個(gè)頻率分離為50hz、250hz、350hz的正弦波，利用scope見察通過(guò)數(shù)字低通濾波器filter的濾波效果。scopel顯示的是50hz正弦波，scope2顯示的是50hz疊加上250hz、350hz正弦波后的波形，scope顯示的是通過(guò)我們?cè)O(shè)計(jì)的低通濾波器后的波形，對(duì)照?qǐng)D3(a)、(b)可以看出，濾波后的波形保留了50hz的信號(hào)，且略有延遲，并將高頻部分有效地濾除，解釋設(shè)計(jì)的濾波器符合要求。3 數(shù)字低通濾波器fpga實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)辦法普通有以下幾種：(1)采納加法器、乘法器、延時(shí)器設(shè)計(jì)專用的濾波電路。(2)在通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中加上專用的加速處理機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)

7、現(xiàn)。(3)用通用的可編程芯片實(shí)現(xiàn)。(4)用專用的dsp芯片實(shí)現(xiàn)。在一些特別的場(chǎng)合，要求的信號(hào)處理速度極高，用通用dsp芯片很難實(shí)現(xiàn)。這種芯片將相應(yīng)的濾波算法在芯片內(nèi)部用硬件實(shí)現(xiàn)，無(wú)需舉行編程。(5)采納fpga設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。在上述幾種辦法中，第(2)種辦法的缺點(diǎn)是速度較慢，普通可用于dsp算法的模擬。第(1)、(4)種辦法專用性強(qiáng)，應(yīng)用受到很大的限制。第(3)、(5)種辦法都可以通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字濾波，用法dsp器件實(shí)現(xiàn)雖然容易，但因?yàn)槌绦虬ご螆?zhí)行，執(zhí)行速度必定不快。fpga有著規(guī)整的內(nèi)部規(guī)律陣列和豐盛的連線資源，特殊適合于數(shù)字信號(hào)處理任務(wù)，相對(duì)于串行運(yùn)算為主導(dǎo)的通用dsp芯片來(lái)說(shuō)，其并行性和

8、可擴(kuò)展性更好。但長(zhǎng)久以來(lái)，fpga向來(lái)被用于系統(tǒng)規(guī)律或時(shí)序控制上，很少有信號(hào)處理方面的應(yīng)用，其緣由主要是由于在fpga中缺乏實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算的有效結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在這個(gè)問(wèn)題得到了解決，使fpga在數(shù)字信號(hào)處理方面有了長(zhǎng)足的進(jìn)展。文獻(xiàn)中是在matlab中設(shè)計(jì)出數(shù)字低通濾波器后，得到其系統(tǒng)函數(shù)h(z)的系數(shù)，然后將系數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制，再利用vhdl語(yǔ)言舉行編程，而編程的過(guò)程十分繁瑣。本文利用fdatool可以挺直得到vhdl文件，在其菜單欄中的挑選fargetsgenerate hdl，在打開的界面中挑選vhdl file，建立文件名為filtervhd，同時(shí)可以得到測(cè)試文件filter tbvhd。利用ii軟件打開以上文件舉行編譯、綜合，最后將其下載到fpga中即可實(shí)現(xiàn)低通濾波器的功能。4 結(jié)束語(yǔ)本文利用matlab中的fdatool實(shí)現(xiàn)了iir數(shù)字低通濾波器的設(shè)計(jì)及仿真，設(shè)計(jì)過(guò)程容易、挺直，大大縮減了設(shè)計(jì)開發(fā)的時(shí)光。采納fpg