專利名稱：電力系統衛星時鐘裝置的振蕩器馴服系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種電力系統衛星時鐘的振蕩器馴服系統。
背景技術：
電力系統覆蓋范圍廣，自動化裝置目前很普及，電能功率測量對時 鐘精度要求達到微秒級，行波測距和行波保護對時鐘精度要求達到微秒 級。電力系統各節點如發電廠、變電站都要求嚴格的時間同步。在各種 時間同步技術中，衛星授時由于覆蓋面廣，精度高，相對成本較低的特 點得到廣泛的應用。然而衛星距離地面上萬公里，信號傳輸易受千擾， 為確保時鐘的可靠。必須采用本地振蕩器和衛星授時結合的方法，通常 采用衛星接收機提供的1PPS來對本地振蕩器進行馴服，得到一個長期 和短期穩定度都較高的時鐘。在衛星授時與本地晶振結合的技術中，有文獻提出先根據衛星的秒 信號建立晶振的一元二次方程，對晶振進行實時修正，這種方法需要預 先對晶振進行大量測試，由于生產上的差異，模型不具有廣泛的可用性， 如考慮到晶振本身的老化率，該模型將更為復雜；有文獻采用單片機讀 入相差，建立了一個數字鎖相環，根據鎖相環的輸出調整恒溫晶振的調 諧電壓，但文獻沒有給出鎖相環的詳細設計；有文獻提出利用相位差來 獲得頻率差的方法，但沒有提出相位補償方案;有文獻將衛星與短穩性 能好的高穩晶振結合，構成數字鎖相環，以鎖定后的頻率作為直接數字頻率合成器的參考；該文獻未能詳細描述數字鎖相環的設計和實現。 在利用衛星授時接收機輸出的1PPS時，諸多文獻談到了利用卡爾曼濾波 來消除衛星的1PPS的抖動，也有文獻指出，采用多次測量取平均的方法 可有效降低衛星的1PPS隨機抖動的影響。
發明內容
本發明的目的在于提供一種結構合理，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衛星時鐘裝置的振蕩器馴服系統。本發明的技術解決方案是一種電力系統衛星時鐘裝置的振蕩器馴服系統，其特征是包括對 衛星授時接收機輸出的1PPS作為基準與高穩晶振分頻輸出的1PPS進 行鑒相的數字鑒相器，數字鑒相器與比例積分調節器連接，比例積分調 節器輸出的電壓送至高穩晶振壓控控制端，該壓控控制端對輸出頻率進 行微調，高穩晶振與分頻器連接。分頻器輸出端與時鐘模塊連接。由于采用了比例積分控制，高穩晶振輸出的1PPS會逐步跟蹤衛星的1PPS，如衛星的1PPS穩定，則最終的相位誤差為零。當高穩晶振的1PPS 鎖定衛星的1PPS后，其頻率也得到了校準。在比例積分調節器的設計時，比例系數主要控制跟蹤的快速響應，比例系數越大，其跟蹤越快，超調量越小；積分系數主要控制跟蹤的穩 態誤差，但積分環節有所滯后。在衛星馴服高穩晶振系統中，開始時具 有較大相差，需要快速跟蹤；當高穩晶振穩定跟蹤了衛星的1PPS后，需 要克服衛星的1PPS的抖動，此時需要積分環節來實現。由于衛星的抖動誤差是一個隨機誤差，通過多次取平均可抑制。而積分環節的累加自動 實現了抑制抖動的作用。下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
圖1是本發明一個實施例的結構組成圖。圖2是本發明系統模型圖。圖3是自適應參數調節圖。圖4是仿真的輸入信號波形圖。圖5是Kp二16， Ki^/16時仿真的輸出響應波形圖。圖6是Kp二l. 6， Ki二O. 625時仿真的輸出響應波形圖。
具體實施例方式一種電力系統衛星時鐘裝置的振蕩器馴服系統，包括對衛星授時接 收機輸出的1PPS作為基準與高穩晶振分頻輸出的1PPS進行鑒相的數 字鑒相器l，數字鑒相器與比例積分調節器2連接，比例積分調節器輸 出的電壓送至高穩晶振3壓控控制端，該壓控控制端對輸出頻率進行微 調，高穩晶振與分頻器4連接。分頻器輸出端與時鐘模塊5連接。圖中 還有頻率合成器6、有效性判斷模塊7。將圖l簡化為控制系統框圖，則可得到圖2。圖中E(S)為得到的相位 差，Kp為比例系數，Ki為積分系數。V(S)為比例積分器的輸出量。對于 壓控的高穩晶振而言，輸入的電壓與輸出的頻率有一個比例關系，則可 認為相當于比例環節，用^表示。F(S)則表示輸出的頻率，分頻則相當 于一個積分環節，輸出的Y(S)表示相位。可見采用PI調節器、的衛星馴服 高穩晶振系統是一個2階系統。根據框圖求此2階系統的傳遞函數，可得 — ■ ( +爭-^ * =柳Gd ，) — WS + ^.aS2.尺f 《， 可見該傳遞函數是一個典型的2階系統，具有兩個極點和一個零點，分 母可以表示為阻尼系數《=^s,;諧振頻率《 =#^:2 v《最大超調量Mp-lOOe-當系統構建好后，《,基本確定。由上式可見，Kp越大，則阻尼系數越 大；Ki越大，則諧振頻率越高，達到穩態值振蕩次數增加。衛星馴服高穩晶振的過程由上分析可見，Kp與Ki的選取決定了系統的跟蹤響應。衛星馴服高穩晶振的過程分為兩步1 、 頻率校準在這個階段，高穩晶振的分頻秒開始跟蹤衛星的1PPS;此時由于存在一 定相位差，并且高穩晶振的控制電壓端電壓尚未建立，高穩晶振的頻率 還存在一定的偏差，在這個階段，主要進行頻率的校準，并逐步消除相 位差。2、 頻率鎖定當頻率校準階段完成后，高穩晶振的頻率基本得到校準，與衛星的1PPS 相差維持在一個較小的范圍內，此時進入頻率鎖定階段；在這個階段， 主要克服電路的不穩定導致控制電壓的偏差和高穩晶振自身頻率的漂 移。在這個階段，由于晶振的頻率已得到校準，其輸出的分頻1PPS穩定 度較高，而衛星的1PPS具有一定的抖動，因此需要降低衛星的1PPS抖 動帶來的影響。通過分析衛星馴服高穩晶振的過程，可以看到，在頻率校準階段，需要 快速的實現相位跟蹤，并且避免較大的相位超調量，因此可以采用較大 的Kp;在頻率鎖定階段，需要避免衛星接收機秒的抖動，可采用較小的Kp;在頻率鎖定階段，對頻率的調整在一個小范圍內進行，為避免相位的突變，頻率的調整應緩慢進行，此時衛星的1PPS的控制應減弱，Ki 也應減小。Kp， Ki的變化過程如圖3所示。當頻率校準階段完成后，高 穩晶振的控制電壓值保持穩定，此時如改變比例積分系數，會導致控制 電壓變化；為防止控制電壓值的突變，系數的改變逐步進行。因此在頻 率校準和頻率鎖定階段，還有一個參數調整階段。 自適應PI調節器的實現自適應PI調節器的實現描述如下 PI調節器為比例積分調節。數字鑒相器采用脈沖間隔計數來實現，在衛 星的1PPS和分頻1PPS之間用10M脈沖進行計數。數字鑒相器每秒送出一 個脈沖間隔計數值，PI調節器為離散控制器，根據當前的計數值和以往 的計數值，每秒計算出一個調節值，其調節器的計算如下式所示<formula>formula see original document page 7</formula>該調節值通過一個D/A轉換器轉換為模擬電壓，施加在高穩晶振的控制 電壓輸入端，實現對高穩晶振頻率的微調作用。 設在第"="。后系統進入參數調整狀態，^后系統進入頻率鎖定，則〖 i -力.("-"o),"。 尺,i, w < w0尺n - , ("-"o),M。 < 《2, w > %式中，^^，~2分別為調整前后的比例系數，人為比例系數的調整系數； 分別為調整前后的積分系數，/為積分系數的調整系數。在MATLAB里建立晶振馴服的模型，取Kp^6，Ki4/16,通過計算系統的前向增益系數，可得[=0力1953125 。則系統模型為 m 0.304 + 0.0011875S2+0.304S + 0細節 在頻率校準階段，此時晶振頻率存在一個偏差，晶振馴服的目的是糾正這個頻率偏差，系統跟蹤的過程相當于對階躍信號的響應；在頻率跟蹤 階段，由于頻率已基本穩定，該階段目的是防止衛星秒突然跳動對輸出 頻率造成大的波動，而對衛星秒的波動的響應則相當于對沖擊信號的響 應。因此構建如下輸入信號^): 一)="(卜0 +外-"，G:階躍信號施加時刻，"沖激信號施加時刻。激勵信號如圖4所示，當Kp二16， Ki二O. 0625時系統的響應如圖5所示，當Kp二l. 6， Ki=0. 00625時系 統響應如圖6所示。可見較小的比例積分系數降低了脈沖抖動帶來的影響。
權利要求
1、一種電力系統衛星時鐘裝置的振蕩器馴服系統，其特征是包括對衛星授時接收機輸出的1PPS作為基準與高穩晶振分頻輸出的1PPS進行鑒相的數字鑒相器，數字鑒相器與比例積分調節器連接，比例積分調節器輸出的電壓送至高穩晶振壓控控制端，該壓控控制端對輸出頻率進行微調，高穩晶振與分頻器連接。
2、 根據權利要求1所述的電力系統衛星時鐘裝置的振蕩器馴服系 統，其特征是分頻器輸出端與時鐘模塊連接。
全文摘要
本發明公開了一種電力系統衛星時鐘裝置的振蕩器馴服系統，包括對衛星授時接收機輸出的1PPS作為基準與高穩晶振分頻輸出的1PPS進行鑒相的數字鑒相器，數字鑒相器與比例積分調節器連接，比例積分調節器輸出的電壓送至高穩晶振壓控控制端，該壓控控制端對輸出頻率進行微調，高穩晶振與分頻器連接。本發明結構合理，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衛星時鐘的振蕩器馴服系統。由于采用了比例積分控制，高穩晶振輸出的1PPS會逐步跟蹤衛星的1PPS，如衛星的1PPS穩定，則最終的相位誤差為零。當高穩晶振的1PPS鎖定衛星的1PPS后，其頻率也得到了校準。
文檔編號H03L7/00GK101582690SQ200910032708
公開日2009年11月18日 申請日期2009年6月26日 優先權日2009年6月26日
發明者單慶曉, 炎 姜, 俊 楊, 盛東林, 鏗 陳, 陳巍巍, 黃凱晨 申請人:江蘇北斗科技有限公司