技术领域本专利属于一种应用于电动汽车充电机的多旋转坐标锁相环及控制方法。使用该新型数字锁相环技术的电动汽车直流充电机，其网侧电流谐波含量THD更低、网侧功率因数更高、系统的动态响应速度更快，且能够让直流电动汽车充电机适应多种复杂的电网环境。
背景技术：
随着不可再生能源的不断减少，推动新能源的快速发展已经成为当务之急，在汽车工业中，电动汽车应运而生，它作为一种发展前景广阔的绿色交通工具，今后的普及速度会异常迅猛，未来的市场前景也是异常巨大的。而作为电动汽车的重要配套设施，电动汽车直流充电机越来越受到社会和国家的高度重视。电动汽车充电装置总体可以分为车载充电装置和非车载充电装置。车载充电装置指安装在电动汽车上的采用地面交流电网和车载电源对电池组进行充电的装置，包括车载充电机、车载充电发电机组和运行能量回收充电装置，将一根带插头的交流动力电缆线直接插到电动汽车的充电插座中给蓄电池充电。车载充电装置通常使用结构简单、控制方便的接触式充电器，也可以是感应充电器。它完全按照车载蓄电池的种类进行设计，针对性较强。非车载充电装置，即地面充电装置，主要包括专用充电机、专用充电站、通用充电机、公共场所用充电站等，它可以满足各种电池的各种充电方式。非车载充电装置相当于汽车加油站，它给任何一辆需要充电的电动汽车提供充电服务。对任何车载充电机和非车载充电机，从三相电网取电并进行PFC功率因数校正，提供稳定的直流电压源都是非常重要的环节，这一环节直接关系到网侧电能质量、功率因数、整机效率、发热量、安全和可靠性等。而数字锁相环计算出的三相电网电压的相位和频率信息对三相PFC部分的实际效果有最直接、最重要的影响。目前市场上的电动汽车直流充电机的PFC部分往往都是采用最普遍的基于单同步旋转坐标系的三相软件锁相环(SRF-PLL)或者是最基本的过零锁相环来实现对三相电网电压相位和频率的捕获，这些锁相环难以抑制电网电压信号中的直流偏置、谐波等干扰的影响，造成输出的相位和频率精度不高，导致网侧电流谐波THD大、功率因数低、效率不高，最终影响直流电动汽车充电机PFC部分的实际性能。更重要的是，常用的软件锁相环比如基于单同步旋转坐标系的三相软件锁相环(SRF-PLL)或者是最基本的过零锁相环，在处于恶劣的电网电压环境中时，无法确保有效抑制电网谐波、直流偏置和负序基波分量的同时，保持快速的动态响应速度，这使得整个电动汽车直流充电机的网侧电流在电网电压受到污染时，不能既快速又高精度地输出三相电网电压正序基波分量的相位，从而降低了网侧电流质量，极大地提高了网侧电流的谐波含量THD，影响了电动汽车直流充电机的正常工作和使用范围。应用于三相PFC部分的数字锁相环技术这些年已有了长足的发展，但随着新能源新设备的出现，仍有不少问题需进一步研究解决，特别是适合于电动汽车直流充电机的三相软件锁相环技术急需研究开发。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种专门用于电动汽车充电机的多旋转坐标锁相环及控制方法。该新型三相数字锁相环技术基于多旋转坐标系滤波的多坐标变换滤波模块组，能够快速精确地输出电网电压的角频率和相位信息，运用这种基于新型滤波模块的三相数字锁相环可以使直流汽车充电机的网侧电流谐波含量THD更低、网侧功率因数更高、系统的暂态响应速度更快，且能够让直流电动汽车充电机适应多种复杂的电网环境。为了实现上述目的,本发明所采用的技术方案是：一种用于电动汽车充电机的多旋转坐标锁相环，包括：三相电网电压通过输入端I-1与电力变换模块(100)相连接，电力变换模块(100)的输出端Udc+、Udc-通过输出端O-1、O-2与电动汽车动力电池组(110)的输入端I-2、I-3相连接，电动汽车动力电池组(110)通过CAN与DSP主控模块(130)相连接，A/D采集模块(120)采集三相电网电压值与电流值，并将采集值送入DSP主控模块(130)，DSP主控模块输出值eα、eβ通过输出端O-3、O-4与多坐标锁相环的多坐标变换滤波模块组(140)的输入端I-4、I-5相连接，多坐标变换滤波模块组(140)的输出值eαn、eβn通过输出端O-5、O-6与角频率/相位信息计算模块(150)的输入端I-6、I-7相连接，角频率/相位信息计算模块(150)的输出值ω、通过输出端O-7、O-8、O-9与DSP主控模块(130)的输入端I-8、I-9、I-10相连接。基于所述用于电动汽车充电机的多旋转坐标锁相环，其控制方法是：采用基于旋转坐标系滤波的多坐标变换滤波模块组(140)，该模块组由多个结构相同但参数不同的滤波模块串联而成，前一个滤波模块的输出eαx和eβx送入n次滤波模块的旋转坐标系运算模块n，n倍基波角频率周期定时器的输出送入旋转坐标系运算模块n和静止坐标系运算模块n，旋转坐标系运算模块n的输出edn和eqn分别送入乘法器n-A和乘法器n-C；滤波常数n-1的输出同时送入乘法器n-A和乘法器n-C，滤波常数n-2的输出同时送入乘法器n-B和乘法器n-D；数据存储模块n-1的输出y0同时送入乘法器n-B和减法器n-C的-号端，数据存储模块n-2的输出y0同时送入乘法器n-D和减法器n-D的-号端；乘法器n-A的输出送入减法器n-A的+号端，乘法器n-B的输出送入减法器n-A的-号端，乘法器n-C的输出送入减法器n-B的+号端，乘法器n-D的输出送入减法器n-B的-号端；减法器n-A的输出同时送入数据存储模块n-1的y1端和减法器n-C的+号端，减法器n-B的输出同时送入数据存储模块n-2的y1端和减法器n-D的+号端；减法器n-C的输出vdn同时送入乘法器n-E的一端和加法器n_E的+号端；校正常数n同时送入乘法器n-E的另一端和乘法器n-F的一端，减法器n-D的输出vqn同时送入乘法器n-F的另一端和减法器n-F的+号端；乘法器n-E的输出送入减法器n-F的-号端，乘法器n-F的输出送入加法器n-E的另外一个+号端，加法器n_E的输出送入静止坐标系运算模块n的一端，减法器n-F的输出送入静止坐标系运算模块n的另一端。静止坐标系运算模块n输出滤除n次谐波后的电网电压分量eαn和eβn。当含有n次谐波的eαx和eβx分量送入旋转坐标系运算模块n后，在n倍基波角频率周期定时器的运算角速度坐标系下，n次谐波被转换成了直流分量，通过乘法器n-A、乘法器n-B、乘法器n-C、乘法器n-D、滤波常数n-1、滤波常数n-2、减法器n-A、减法器n-B、减法器n-C、减法器n-D、数据存储模块n-1和数据存储模块n-2组合成高通滤波器，滤除以直流分量存在的n次谐波分量，再由乘法器n-E、乘法器n-F、加法器n-E、减法器n-F和校正常数n组成相位校正环节，校正高通滤波器引起的电网电压正序基波分量的相位偏移，最后通过静止坐标系运算模块n将旋转坐标系下的电网电压信号还原回静止坐标系下的信号，方便后级运算。其中，n次滤波模块的常数选择公式如下：滤波常数n_1＝2/(2+k*Ts*ω)；滤波常数n_2＝(k*Ts*ω-2)/(2+k*Ts*ω)；校正常数n＝k/(1-n)；其中，k代表高通滤波系数，k越大，高通滤波抑制直流分量的程度越强，一般取值0.1～0.2；Ts代表DSP主控模块(130)的离散时间；ω代表三相电网电压基波角频率，一般为314rad/s；n代表谐波次数；由于整个滤波部分没有采用延时环节且高通滤波器对直流分量的衰减极大，所以这种基于旋转坐标系的滤波模块滤波速度更快且谐波抑制效果更彻底。上述方案中，角频率/相位信息计算模块(150)内，eαn和eβn送入归一化模块(151)，归一化模块(151)输出电网电压正弦量单位信号同时送入三角组合运算模块(154)和微分模块(152)，归一化模块(151)输出电网电压余弦量单位信号同时送入除法运算模块(153)和三角组合运算模块(154)，相位偏移量θ送入三角组合运算模块(154)，三角组合运算模块(154)输出两路电网电压相位信号，分别是带相位偏移量θ的正弦单位信号和余弦单位信号微分模块(152)的输出送入除法运算模块(153)，除法运算模块(153)输出当前电网电压角频率ω。归一化模块(151)将输入的电网电压信号幅值限制在单位量1，微分模块(152)将正弦信号求微分，得到含有频率值信息的量和通过除法运算模块(153)，输出当前电网电压角频率ω；三角组合运算模块(154)将θ合并，输出带相位偏移量θ的电网电压正序基波分量相位的正弦量和余弦量和根据实际需求灵活设置所需滤波模块，根据实际需要滤除的谐波，设置对应的滤波模块，当启动充电设备后，DSP主控模块(130)输出一组静止坐标系下的电网电压信号eα和eβ到多坐标变换滤波模块组(140)，eα和eβ依次通过各个串联的滤波模块，每一个滤波模块都将滤除特定次频率的干扰信号，多坐标变换滤波模块组(140)将不含干扰信号的电网电压正序基波分量eαn和eβn送入角频率/相位信息计算模块(150)，在角频率/相位信息计算模块(150)内，归一化模块(151)将eαn和eβn的幅值整定到单位量1，并输出单位单位信号和微分模块(151)对进行微分运算，得到微分量将微分量与进行除法运算，得到出当前电网电压实际角频率ω，三角组合运算模块(154)对输入量和θ进行三角函数运算，三角组合运算模块(154)输出可以自由调整电网电压相位角的正弦值和余弦值的量和并将其送入DSP主控模块进行PFC控制，若无需超前或者滞后电网电压相位，则将θ置0。本发明适用于电动汽车直流充电机PFC部分的控制策略中，这种新型三相数字锁相环能够为直流汽车充电机的PFC功率因数校正环节提供快速准确的电网电压相位和频率，使直流汽车充电机网侧电流谐波含量THD更小、网侧功率因数更高、可靠性高。实现该技术的微控制器(MCU)可以为DSP系列芯片、PIC系列芯片，也可为其它各种单片机控制芯片，均应纳入在本发明的权利保护范围内。附图说明图1为本发明的原理框图。图2为本发明n次滤波模块的原理框图。图3为本发明角频率/相位信息计算模块(150)的原理框图。图4为本发明的控制方法流程图具体实施方式下面结合附图及实例对本发明作进一步的描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。在本实例中，三相电网电压正序基波分量为380V/50Hz，并向该三相电网电压中注入20％的负序基波分量和+5次谐波分量以及向A相电网电压中注入50V的直流分量。本实例主体结构如附录图1所示，根据附录图1描述，本实例中，多坐标变换滤波模块组设置3个滤波模块，分别为-1次滤波模块，0次滤波模块和+5次滤波模块，k取值0.2；离散常数Ts取值50us。如图1所示，本发明的多旋转坐标锁相环包括：三相电网电压通过输入端I-1与电力变换模块(100)相连接，电力变换模块(100)的输出端Udc+、Udc-通过输出端O-1、O-2与电动汽车动力电池组(110)的输入端I-2、I-3相连接，电动汽车动力电池组(110)通过CAN与DSP主控模块(130)相连接，A/D采集模块(120)采集三相电网电压值与电流值，并将采集值送入DSP主控模块(130)，DSP主控模块输出值eα、eβ通过输出端O-3、O-4与多坐标变换锁相环的多坐标变换滤波模块组(140)的输入端I-4、I-5相连接，多坐标变换滤波模块组(140)内部由多个滤波模块按谐波次幂由低到高依次串联而成，本实例中，如附录所示，DSP主控模块(130)的输出值eα、eβ通过多坐标变换滤波模块组(140)的输入端I-4、I-5送入-1次滤波模块，-1次滤波模块的输出值eα-1、eβ-1送入0次滤波模块，0次滤波模块的输出值eα0、eβ0送入+5次滤波模块，+5次滤波模块的输出最终滤波值eα+5、eβ+5；多坐标变换滤波模块组(140)的输出值eα+5、eβ+5通过输出端O-5、O-6与角频率/相位信息计算模块(150)的输入端I-6、I-7相连接，角频率/相位信息计算模块(150)的输出值ω、通过输出端O_7、O_8、O_9与DSP主控模块(130)的输入端I-8、I-9、I-10相连接。本本实施例中，基于旋转坐标系滤波的多坐标变换滤波模块组(140)，DSP主控模块(130)将静止坐标系下三相电网电压值eα和eβ送入多坐标变换滤波模块组(140)的-1次滤波模块，在-1次滤波模块内，eα和eβ送入-1次滤波模块的旋转坐标系运算模块-1，-1倍基波角频率周期定时器的输出送入旋转坐标系运算模块-1和静止坐标系运算模块-1；旋转坐标系运算模块-1的输出ed-1和eq-1分别送入乘法器-1-A和乘法器-1-C；滤波常数-1_1的输出同时送入乘法器-1-A和乘法器-1-C，滤波常数-1-2的输出同时送入乘法器-1-B和乘法器-1-D；数据存储模块-1-1的输出y0同时送入乘法器-1-B和减法器-1-C的-号端，数据存储模块-1-2的输出y0同时送入乘法器-1-D和减法器-1-D的-号端；乘法器-1-A的输出送入减法器-1-A的+号端，乘法器-1-B的输出送入减法器-1-A的-号端，乘法器-1-C的输出送入减法器-1-B的+号端，乘法器-1-D的输出送入减法器-1-B的-号端；减法器-1-A的输出同时送入数据存储模块-1-1的y1端和减法器-1-C的+号端，减法器-1-B的输出同时送入数据存储模块-1-2的y1端和减法器-1-D的+号端；减法器-1-C的输出vdn同时送入乘法器-1-E的一端和加法器-1-E的+号端；校正常数-1同时送入乘法器-1-E的另一端和乘法器-1-F的一端，减法器-1-D的输出vqn同时送入乘法器-1-F的另一端和减法器-1-F的+号端；乘法器-1-E的输出送入减法器-1-F的-号端，乘法器-1-F的输出送入加法器-1-E的另外一个+号端，加法器-1-E的输出送入静止坐标系运算模块-1的一端，减法器-1-F的输出送入静止坐标系运算模块-1的另一端。静止坐标系运算模块-1输出滤除负序基波分量后的电网电压分量eα-1和eβ-1。当含有-1次谐波的eα和eβ分量同时送入旋转坐标系运算模块-1后，在-1倍基波角频率周期定时器的运算角速度坐标系下，-1次谐波被转换成了直流分量，通过乘法器-1-A、乘法器-1-B、乘法器-1-C、乘法器-1-D、滤波常数-1-1、滤波常数-1-2、减法器-1-A、减法器-1-B、减法器-1-C、减法器-1-D、数据存储模块-1_1和数据存储模块-1-2组合成高通滤波器，滤除以直流分量存在的-1次谐波分量，再由乘法器-1-E、乘法器-1-F、加法器-1-E、减法器-1-F和校正常数-1组成相位校正环节，校正高通滤波器引起的电网电压正序基波分量的相位偏移，最后通过静止坐标系运算模块-1将旋转坐标系下的电网电压信号还原回静止坐标系下的信号eα-1和eβ-1并将其送入0次滤波模块；同理，电网电压信号在经过0次滤波模块和+5次滤波模块后，其原本的负序基波分量、+5次谐波分量和直流分量都已经被多坐标变换滤波模块组(140)滤除。在本实施例中，各参数取值如下：滤波常数-1-1＝0.998；滤波常数-1-2＝-0.997；校正常数+1＝0.1；滤波常数0-1＝0.998；滤波常数0-2＝-0.997；校正常数0＝0.2；滤波常数+5-1＝0.998；滤波常数+5-2＝-0.997；校正常数+5＝-0.2；在本实施例中，多坐标变换滤波模块组(140)将不含谐波信号的eα+5和eβ+5送入角频率/相位信息计算模块(150)内的归一化模块(151)，归一化模块(151)输出电网电压正弦量单位信号一路送入三角组合运算模块(154)，一路送入微分模块(152)，归一化模块(151)输出电网电压余弦量单位信号一路送入除法运算模块(153)，一路送入三角组合运算模块(154)，相位偏移量θ送入三角组合运算模块(154)，三角组合运算模块(154)输出两路电网电压相位信号，分别是正弦单位信号和余弦单位信号微分模块(152)的输出送入除法运算模块(153)，除法运算模块(153)输出当前电网电压角频率。归一化模块(151)将输入的电网电压信号幅值限制在单位量1，微分模块(152)将正弦信号求微分，得到含有频率值信息的量和通过除法运算模块(153)，输出当前电网电压角频率ω；三角组合运算模块(154)将θ合并，输出电网电压相位角可调的正弦和余弦量和本实施例的控制方法为：在设备连接好且上电后，DSP主控模块(130)输出静止坐标系下三相电网电压值eα和eβ，并将该信号送入多坐标变换滤波模块组(140)，该信号依次通过多坐标变换滤波模块组(140)内部串联的-1次滤波模块、0次滤波模块和+5次滤波模块后，滤除了正序基波分量中的负序基波分量、直流分量和+5次谐波分量，多坐标变换滤波模块组(140)将不含干扰信号的电网电压正序基波分量eα+5和eβ+5送入角频率/相位信息计算模块(150)，在角频率/相位信息计算模块(150)内，归一化模块(151)将eα+5和eβ+5的幅值整定到单位量1，并输出单位信号和微分模块(152)对进行微分运算，得到微分量将微分量与进行除法运算，得到当前电网电压实际角频率ω，三角组合运算模块(154)对输入量和θ进行三角函数运算，三角组合运算模块(154)输出可以自由调整电网电压相位角的正弦值和余弦值的量和并将其送入DSP主控模块(130)进行PFC控制。控制θ的大小可以自由改变该三相数字锁相环输出相位与实际电网电压正序基波分量相位的关系，本实例中θ置0，则该锁相环输出相位与实际电网电压正序基波分量相位重合。其具体实施步骤如图4所示：S100：各个模块进行初始化配置；S110:DSP主控模块(130)检测三相电网电压在静止坐标系下的值eα和eβ，并将其送入多坐标变换滤波模块组(140)；S120：-1次滤波模块内，-1倍基波角频率周期定时器输出-1*314rad/s到旋转坐标系运算模块-1，旋转坐标系运算模块-1将eα和eβ信号中的负序基波分量转换为直流分量，并通过高通滤波环节滤除直流分量，相位校正环节校正相位，最后利用静止坐标系运算模块-1将不含负序基波分量的电网电压信号还原为eα-1和eβ-1；S130：0次滤波模块内，0倍基波角频率周期定时器输出0到旋转坐标系运算模块0，即旋转坐标系运算模块0不工作，通过高通滤波环节滤除直流分量，相位校正环节校正相位，最后利用静止坐标系运算模块0将不含直流分量的电网电压信号还原为eα0和eβ0；S140：+5次滤波模块内，+5倍基波角频率周期定时器输出+5*314rad/s到旋转坐标系运算模块+5，旋转坐标系运算模块+5将eα0和eβ0信号中的+5次谐波分量转换为直流分量，通过高通滤波环节滤除直流分量，相位校正环节校正相位，最后利用静止坐标系运算模块+5将不含+5次谐波分量的电网电压信号还原为eα+5和eβ+5；S150：角频率/相位信息计算模块(150)中，归一化模块(151)将eα+5和eβ+5的幅值整定到1，输出和S151:微分模块(152)对进行微分运算，输出S152：除法运算模块(153)将和做除法运算，输出电网电压角频率ω；S153：三角组合运算模块(154)对和θ做三角函数运算，将相位偏移量θ输入电网电压正弦量和余弦量中，输出和S160：电动汽车动力电池组(110)通过CAN与充电机通讯，判断充电电压是否达到设定值，否则返回S110；S170：DSP主控模块(130)接受电网电压角频率ω及相位信息和并据此开始PFC及充电功能；S180：电动汽车动力电池组(110)通过CAN与充电机通信，判断充电量是否达到要求，否则返回S110；S190：DSP主控模块(130)不再接收锁相环输出数据，并执行停止程序；S200：结束。最后应说明，本实施例的实施仅用于说明本发明专利方案而非限制。一切不脱离本发明专利方案的精神和范围的修改和替换，均应纳入在本发明专利的权利要求范围当中。本说明书中未作详细描述的内容属于本专业领域技术人员公知的现有技术。