交流電源過零點(diǎn)檢測新方法及運(yùn)用實(shí)踐微探

尤進(jìn)強(qiáng)

摘 要：目前在控制技術(shù)中，交流電源過零點(diǎn)檢測是一種常見方法，它主要用于交流電源過零點(diǎn)時(shí)間、電壓反相點(diǎn)以及交流電源頻率的測定。而提高交流電源過零點(diǎn)檢測的精確性，對(duì)于控制以交流電為電源的機(jī)械設(shè)備而言具有非常重要的作用。因此本文對(duì)交流電源過零點(diǎn)檢測新方法及運(yùn)用實(shí)踐進(jìn)行了深入研究，分析了交流電源過零點(diǎn)傳統(tǒng)檢測方法的不足，從而對(duì)過零點(diǎn)檢測新方法及運(yùn)行做了詳細(xì)闡述。

關(guān)鍵詞：交流電源；過零點(diǎn)監(jiān)測；新方法；運(yùn)用實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G632 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1.交流電源過零點(diǎn)檢測概述

交流電源過零點(diǎn)檢測是控制交流電源中經(jīng)常應(yīng)用到的一種方法，它指的是采用相關(guān)系統(tǒng)，對(duì)從正半周轉(zhuǎn)換到負(fù)半周的交流電波形“過零”的具體時(shí)間。過零點(diǎn)檢測的基礎(chǔ)原理具體來說就是在微處理核心芯片中設(shè)置一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，在輸出正半周正弦波交流電時(shí)設(shè)置一個(gè)確定值，當(dāng)正弦波交流電輸入發(fā)生持續(xù)性的變化時(shí)，通過微處理核心芯片就能在正弦波交流電的輸出端調(diào)制一個(gè)方波，這樣一來在示波器上就能將出現(xiàn)正弦波零點(diǎn)的位置正確顯示出來。傳統(tǒng)過零點(diǎn)檢測器的最小單元由比較器組成（如圖1所示）。過零點(diǎn)檢測一般情況下有兩種方案：一是隔離變壓器的檢測方案。這種檢測方案盡管體積較為龐大，且檢測精度也較低，但是具有較好經(jīng)濟(jì)性。二是隔離光耦的檢測方案。這種檢測方案不僅靈敏度較高，同時(shí)具有體積小以及檢測精度高等優(yōu)點(diǎn)，但是其價(jià)格較為昂貴。在電機(jī)控制的過程中，交流電源過零點(diǎn)檢測具有非常重要的作用，電機(jī)轉(zhuǎn)速的不同主要是由導(dǎo)通角的不同決定的，而導(dǎo)通角則是由開始計(jì)時(shí)零電壓時(shí)的導(dǎo)通時(shí)間表征決定的。此外，導(dǎo)通時(shí)間也決定了電機(jī)轉(zhuǎn)速的微、低、中、高等4個(gè)等級(jí)。

2.交流電源過零點(diǎn)檢測傳統(tǒng)方法的不足

2.1 易受背景噪聲大、電壓波動(dòng)不穩(wěn)定的干擾

我國具有十分龐大的電網(wǎng)，即使某處電波發(fā)生了微小的變化，也有可能無限擴(kuò)大，并對(duì)其他處的電波產(chǎn)生較大的影響。這樣就會(huì)造成零點(diǎn)處的輸入信號(hào)不能一直處于固定值，同時(shí)零點(diǎn)現(xiàn)象也會(huì)逐漸增多，最終就會(huì)導(dǎo)致實(shí)際檢測的過程中，提取零點(diǎn)與基波零點(diǎn)之間存在較大的誤差。

2.2 零點(diǎn)附近容易發(fā)生正弦波整形的錯(cuò)誤動(dòng)作

一般情況下通過光電之間的轉(zhuǎn)換特性，采用微處理器對(duì)正弦波整形之后的梯形波信號(hào)沿所顯示的時(shí)間進(jìn)行檢測，就能計(jì)算出交流電源過零點(diǎn)的具體時(shí)間。在正弦波整形中，通常情況下使用的芯片都為單片機(jī)，因?yàn)樵撔酒粌H使用方便，價(jià)格便宜，同時(shí)還具有十分廣泛的應(yīng)用范圍。在單片機(jī)實(shí)際處理信號(hào)的過程中，如果檢測到了下降沿的梯形波，則表示為過零點(diǎn)的獲取時(shí)間。但明顯可以看出，真正的零點(diǎn)與這一零點(diǎn)之間存在一定的差異，即過零點(diǎn)檢測的時(shí)間有所提前。因此，如果觸發(fā)動(dòng)作必須準(zhǔn)確，則傳統(tǒng)的正弦波整形不能滿足其對(duì)精度的要求。

2.3 過零比較器的相位以及運(yùn)放模塊穩(wěn)定性存在誤差

運(yùn)放模塊的主要優(yōu)勢就是價(jià)格便宜，但是由于過零比較器與運(yùn)放模塊構(gòu)成之間不能實(shí)現(xiàn)高度匹配，因而在過零比較器的相位以及運(yùn)放模塊穩(wěn)定性之間就會(huì)存在一定的誤差。同時(shí)在運(yùn)行的過程中，過零比較器也會(huì)產(chǎn)生一定額的熱量，而溫度的變化也會(huì)造成輸入失調(diào)，并影響到運(yùn)放模塊性能的穩(wěn)定性，從而降低交流電源過零點(diǎn)檢測的準(zhǔn)確性以及精度。

2.4 光耦過零點(diǎn)上升沿轉(zhuǎn)換耗時(shí)較長，反應(yīng)速度較慢

光耦下降沿以及上升沿之間相互轉(zhuǎn)換的時(shí)間為120微秒。在應(yīng)用的過程中，如果要求的反應(yīng)速度不高，這種轉(zhuǎn)換時(shí)間就能夠達(dá)到要求。但如果應(yīng)用要求反應(yīng)速度較高，例如在通信應(yīng)用中，這樣的轉(zhuǎn)換時(shí)間則會(huì)對(duì)通信質(zhì)量產(chǎn)生非常不利的影響。換句話說，在120微秒之內(nèi)，系統(tǒng)已經(jīng)判定出了過零點(diǎn)的時(shí)間，則表明檢測出來的反應(yīng)時(shí)間與120微秒之間存在一定的誤差。

3.交流電源過零點(diǎn)檢測新方法及運(yùn)用實(shí)踐

針對(duì)運(yùn)用傳統(tǒng)方法檢測過零點(diǎn)時(shí)存在的缺陷，則可以通過改進(jìn)電路設(shè)計(jì)以及算法設(shè)計(jì)等兩個(gè)方面來改進(jìn)傳統(tǒng)的過零點(diǎn)檢測方法，從而獲得交流電源過零點(diǎn)檢測的新方法。該新方法能夠極大地提高過零點(diǎn)檢測結(jié)果的精度，其主要的工作原理則是采用過零點(diǎn)光耦思路來實(shí)現(xiàn)的。

3.1 設(shè)計(jì)電路模式

交流電源過零點(diǎn)檢測新方法中，所應(yīng)用到的電路一般由4個(gè)電路部分組成：單光耦、限幅電路、放大電路以及微處理器等。這一電路中省略了變壓器，因設(shè)備的體積有所減小，同時(shí)設(shè)備成本也有所減少。交流電源過零點(diǎn)檢測新方法中電路設(shè)計(jì)概念圖如圖2所示。

3.2 改進(jìn)設(shè)計(jì)電路

限幅電路的增加。這種電路主要有兩個(gè)方面的作用，一是起到保護(hù)整體運(yùn)放模塊的作用，避免運(yùn)放模塊之間電壓差異過大而對(duì)運(yùn)放過程造成損壞。二是能夠有效地降低輸入電壓，避免在有限的供電區(qū)域內(nèi)，正負(fù)電源電壓之間的輸出均能獲得較高的真實(shí)性以及準(zhǔn)確性。此外應(yīng)注意的是，底部被截以及頂部信號(hào)等都不會(huì)對(duì)交流電源過零點(diǎn)檢測產(chǎn)生影響。

在放大電路中引進(jìn)多級(jí)運(yùn)算。一般電路的二級(jí)放大主要是采用放大器來實(shí)現(xiàn)的，放大的級(jí)倍數(shù)每級(jí)約為50倍，一共需要放大2500倍。電路放大之后的特點(diǎn)為工作穩(wěn)定性高、增益高，并且還具有較大的共模抑制比。當(dāng)電路被放大2500倍之后，信號(hào)波形就會(huì)產(chǎn)生較大的信號(hào)上升沿，而其對(duì)應(yīng)信號(hào)存在的誤差則要比沒有放大過的電路對(duì)應(yīng)信號(hào)的誤差小得多，因而能夠極大地提高判定過零點(diǎn)時(shí)間的精確度。

微處理器以及單光耦的應(yīng)用。光耦的邊緣特性時(shí)間具有非常大的差異，其差異產(chǎn)生的原因則是由于導(dǎo)通光耦所需時(shí)間過長，且不導(dǎo)通的光耦電流向?qū)ü怦铍娏髦g轉(zhuǎn)換的過程較為漫長。在實(shí)際測量中，導(dǎo)通兩個(gè)光耦電流所需要的時(shí)間差異非常高，能夠達(dá)到40微秒，這樣一來，不同情形下的光耦電源的使用以及制造同步就會(huì)面臨較大的難度。而采用微處理器將兩次導(dǎo)通相鄰光二極管過程中的高電平時(shí)間，以及未導(dǎo)通過程中的低電平時(shí)間記錄下來，就能將交流電源過零點(diǎn)時(shí)間準(zhǔn)確地計(jì)算出來。

3.3 改進(jìn)設(shè)計(jì)算法

通常情況下，在交流電源過零點(diǎn)檢測的過程中，由于時(shí)鐘具有非常高的穩(wěn)定性，因此如果測量的正弦波信號(hào)具有較高的信噪比，則主要采用傳統(tǒng)的過零點(diǎn)檢測方法進(jìn)行檢測，這樣的檢測相對(duì)簡便。而在交流電源過零點(diǎn)檢測新方法中，設(shè)計(jì)算法的重點(diǎn)在于對(duì)相鄰兩個(gè)采樣點(diǎn)之間的特征符號(hào)差異進(jìn)行比較。在設(shè)置時(shí)鐘頻率采樣的過程中，通常會(huì)考慮設(shè)置14.6～14.8倍的載波頻率，那么每個(gè)半載周期獲得采樣點(diǎn)為7～8個(gè)。在交流電源過零點(diǎn)檢測的過程中，如果檢測的符號(hào)或者標(biāo)志沒有發(fā)生改變，則正（負(fù)）采樣點(diǎn)的連續(xù)數(shù)據(jù)應(yīng)為7～8個(gè)；而如果檢測的符號(hào)或者標(biāo)志發(fā)生了改變，則數(shù)據(jù)就會(huì)在多于8個(gè)或者少于7個(gè)處出現(xiàn)正（負(fù)）采樣點(diǎn)。通過對(duì)符號(hào)或者標(biāo)志變化的檢測，采用最小二乘法擬合，就能有效地降低隨機(jī)誤差，并極大地提高交流電源過零點(diǎn)檢測的精度，從而獲得準(zhǔn)確的檢測結(jié)果。

結(jié)語

綜上所述，交流電源過零點(diǎn)檢測對(duì)于人們的日常生活以及工業(yè)生產(chǎn)均具有十分重要的作用和意義，由于傳統(tǒng)的交流電源過零點(diǎn)檢測的方法不僅復(fù)雜，而且檢測的精度也相對(duì)較低，因此本文結(jié)合傳統(tǒng)檢測方法中存在的缺點(diǎn)，從硬件以及軟件兩個(gè)方面提出了交流電源過零點(diǎn)檢測的新方法，并通過改進(jìn)電路設(shè)計(jì)以及算法設(shè)計(jì)等，來增強(qiáng)過零點(diǎn)檢測裝置的安全性以及檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。在運(yùn)用的過程中，通過增加限幅電路以及放大兩級(jí)等來促使誤差降低，且在設(shè)計(jì)算法時(shí)采用最小二乘法擬合的方式來加以實(shí)現(xiàn)，從而有效地提高了交流電源過零點(diǎn)檢測的精確度。

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