交流電源過零點(diǎn)檢測的新方法

邱序福（廈門科華恒盛股份有限公司，福建 廈門 361008）

交流電源過零點(diǎn)檢測的新方法

邱序福
（廈門科華恒盛股份有限公司，福建 廈門 361008）

交流電源過零點(diǎn)檢測是當(dāng)前技術(shù)中應(yīng)用的一種常見方法，它用于測定交流電源的頻率、電壓的反相點(diǎn)，以及檢測交流電源過零點(diǎn)的具體時間。精確檢測交流電源過零點(diǎn)的檢測，對于以交流電為能源的機(jī)械設(shè)備控制來說十分重要。本文簡單介紹了傳統(tǒng)的交流電源過零點(diǎn)檢測方法，分析了它們的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出一種新型的光耦過零點(diǎn)檢測方法。

交流電源；過零點(diǎn)檢測；新方法

1 引言

過零點(diǎn)檢測是交流電源控制技術(shù)中的一種常見方法，即通過相關(guān)系統(tǒng)，檢測出交流電波形從正半周向負(fù)半周轉(zhuǎn)換“過零”的具體時刻。具體來說其基本原理是在核心的微處理芯片中建立一套標(biāo)準(zhǔn)，在交流電正弦波的正半周輸出一個確定值，在交流電正弦波的負(fù)半周輸出另一個確定的值，這樣當(dāng)輸入的交流電正弦波連續(xù)變化時，經(jīng)過核心微處理芯片就在輸出端調(diào)制成了一個方波，通過在示波器上顯示就可以確定正弦波零點(diǎn)出現(xiàn)的位置。最小單元的過零點(diǎn)檢測器可有比較器構(gòu)成，如圖1所示。過零檢測有兩種方案，一種是變壓器隔離方案，這種方案經(jīng)濟(jì)便宜，但精度不高，體積過于龐大。另一種方案是光耦隔離的方案，這種方案雖然價格更高，但有著精度高，體積小，靈敏度高的特點(diǎn)。交流電源的過零點(diǎn)檢測對于電機(jī)的控制十分重要，這是由于電機(jī)高、中、低、微轉(zhuǎn)速是由導(dǎo)通時間決定的，而導(dǎo)通角是由導(dǎo)通時間從零電壓開始計時所表征的，因而不同導(dǎo)通角就反應(yīng)了電機(jī)不同的轉(zhuǎn)速。

2 對傳統(tǒng)檢測電路不足的分析

2.1易受市電電壓不穩(wěn)定，波動與背景噪聲大的干擾

國家電網(wǎng)十分龐大，某處的微小波動，可能就會不斷放大，造成另一處電壓較大的變化。這就會導(dǎo)致輸入信號在零點(diǎn)處無法穩(wěn)定在固定值，會出現(xiàn)多過零現(xiàn)象，這樣實(shí)際測量中基波零點(diǎn)和提取的零點(diǎn)誤差會比較大。

2.2 零點(diǎn)附近的正弦波整形容易出現(xiàn)誤動作

單片機(jī)是正弦波整形中一般都要用到的芯片，它價格便宜，使用方便，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。具體在工作過程中，如果是單片機(jī)信號處理中，如果檢測到梯形波下降沿，表示獲取過零點(diǎn)時刻。但很明顯，此時和真正的零點(diǎn)存在一定誤差，即有適當(dāng)提前。因此，如果需要準(zhǔn)確觸發(fā)動作，則傳統(tǒng)的整形波是不符合精度要求的。

2.3 運(yùn)放模塊自身穩(wěn)定性及過零比較器存在相位誤差

運(yùn)放具有價格低廉的優(yōu)勢，但是由運(yùn)放構(gòu)成的過零比較器的運(yùn)放之間不可能完全匹配，會存在相位誤差。另外在工作過程中，器件必然要發(fā)熱，溫度的漂移會使輸入失調(diào)，會影響運(yùn)放性能穩(wěn)定性，也會造成過零點(diǎn)檢測精度下降。

2.4 光耦過零點(diǎn)反應(yīng)速度不理想，上升沿轉(zhuǎn)換時間拉長

光耦上升沿和下降沿的轉(zhuǎn)換時間為120us上下。在對反應(yīng)要求不高的應(yīng)用中，這樣的轉(zhuǎn)換時間可以滿足要求，但是在要求比較高的場合中，如應(yīng)用于通信中的，該反應(yīng)時間將嚴(yán)重影響通信質(zhì)量。也就是說，在120μs以內(nèi)系統(tǒng)都判定經(jīng)過了零點(diǎn)，這就表明其實(shí)是存在著120μs的時間誤差。

3 交流電源過零點(diǎn)檢測的新方法及應(yīng)用

針對傳統(tǒng)過零點(diǎn)檢測方法存在的弊端，可以考慮通過算法、電路兩個角度對傳統(tǒng)方法進(jìn)行改進(jìn)，從而形成新的過零點(diǎn)檢測新方法，該方法可以提升檢測精度，主要原理是通過光耦過零點(diǎn)思路進(jìn)行的。

3.1 電路設(shè)計模式

該新方法所用電路大致可以分為四個部分，放大電路，單光耦，微處理器和限幅電路。如圖2所示。

3.2 對電路設(shè)計的改進(jìn)

3.2.1 增加限幅電路。限幅電路主要作用一是對整體模塊起保護(hù)作用，防止差模電壓過大導(dǎo)致運(yùn)放損壞。二是減小輸入電壓使正負(fù)電源電壓在有限的供電范圍內(nèi)輸出電壓均不會失真，這里，信號頂部和底部被截不影響過零點(diǎn)的檢測。

3.2.2 引入多級運(yùn)算放大電路。主要通過放大器進(jìn)行二級放大，每級倍數(shù)約為50倍，總共放大2500倍，其特點(diǎn)主要是增益高，共模抑制比大，工作穩(wěn)定等特點(diǎn)。放大2500倍后的信號波形使信號上升沿的斜率加大，其所對應(yīng)的誤差要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于未經(jīng)過放大的信號對應(yīng)的誤差，將有利于電路對于過零點(diǎn)的判定精確度。

（1）采用單光耦和微處理器。光耦特性邊緣時間差異明顯，這是由于光耦導(dǎo)通時間較長，光耦電流由不導(dǎo)通變?yōu)閷?dǎo)通電流之間存在十分漫長的過程，實(shí)際測得兩個光耦導(dǎo)通性能差別的可以高達(dá)到40μs，這使在不同情況下使用光耦并進(jìn)行同步制造很大麻煩。微處理器記錄下相鄰兩次光二級管導(dǎo)通時的高電平時刻和不導(dǎo)通時的低電平的時刻，就可以算出其過零點(diǎn)時刻。

3.3 對算法設(shè)計的改進(jìn)

一般情況下，在檢測過程中，考慮時鐘的穩(wěn)定性很高，則在測量信噪比較高的正弦信號時，采用傳統(tǒng)的檢測方式相對簡便。而在新方法的算法設(shè)計中，重點(diǎn)是比較前后兩個相鄰采樣點(diǎn)的符號特征差別。在時鐘采樣頻率的設(shè)置上，考慮設(shè)置為載波頻率的14.6-14.8倍，則每個半載周期可以取得7-8個采樣點(diǎn)。如果檢測標(biāo)志（符號）不發(fā)生變化，則連續(xù)正（負(fù)）采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)為7-8個，如檢測標(biāo)志發(fā)生了翻轉(zhuǎn)，則會有少于7個或多于8個的正（負(fù)）采樣點(diǎn)出現(xiàn)。通過檢測符號變化，利用最小二乘法進(jìn)行擬合，則可以進(jìn)一步減少隨機(jī)誤差，從而提升采樣精度，得到較好的檢測結(jié)果。

結(jié)語

交流電的過零檢測對于生產(chǎn)生活具有重要意義，傳統(tǒng)的過零檢測往往過于復(fù)雜且精確度不高。因此，結(jié)合這些缺點(diǎn)，當(dāng)前也出現(xiàn)了較多的過零點(diǎn)檢測新方法，如真空斷路器關(guān)合同步控制、反電動勢過零點(diǎn)、虹膜識別算法等。本文結(jié)合軟硬件兩個方面提出了新的過零點(diǎn)檢測方法。通過電路與算法上的改進(jìn)，既考慮了檢測設(shè)備的安全性，又進(jìn)一步考慮提升了檢測結(jié)果的精度，實(shí)踐中通過電路上采取兩極放大，增加限幅電路以減少誤差，算法上采取最小二乘法的方式來實(shí)現(xiàn)，從而有效地減少了由電網(wǎng)隨機(jī)波動而帶了的隨機(jī)誤差，切實(shí)提高了測量的精確度。

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