交流電網電壓信號過零點精確檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開的交流電壓信號過零點精確檢測方法，首先選取較大的硬件濾波時間常數，保證能較好地濾除交流電壓信號中可能含有的諧波和隨機噪聲；使用大時間常數軟件PQ濾波提取并消除硬件和軟件產生的直流漂移；設置一個軟件判斷提前量以抵消硬件濾波引起的過零點延時；可以精確計算采樣間隔產生的隨機誤差tb；最后，利用嵌入式微控制器的捕獲和比較功能實現交流電壓頻率和相位的準確信息，進而可實現對交流信號的精確鎖相。本發(fā)明的檢測方法解決了交流電壓信號過零點檢測時，由于硬件檢測電路和軟件算法引起的零點漂移和相位延遲的問題。
【專利說明】交流電網電壓信號過零點精確檢測方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于鎖相方法【技術領域】，涉及一種交流電網電壓信號過零點精確檢測方 法。 技術背景
[0002] 電網電壓或電流相位信息的快速準確獲取對各種并網變流器的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能 以及安全運行都具有重要的意義。20世紀30年代，鎖相技術的概念由學者Appleton和 Bellesciz共同提出，并最早應用于無線電信號的同步接收中。隨后，鎖相技術被廣泛用于 工業(yè)領域，如：電機控制系統(tǒng)、電能質量控制系統(tǒng)、分布式發(fā)電系統(tǒng)、有源濾波器以及靜態(tài)無 功補償器等電力電子變換系統(tǒng)中。如何提高鎖相環(huán)的快速性和準確性是一個重要的研究課 題。
[0003] 目前，廣泛研究應用的鎖相環(huán)方法主要有：①基于同步旋轉坐標變換的軟件鎖相 環(huán)（synchronous rotating frame-PLL)及其改進技術，該方法實時性強，無需進行過零 點比較，可準確獲取輸入電壓基波正序分量頻率、幅度和相位等信息，但此鎖相技術需要 復雜的坐標變換和大量的數學運算，當電網電壓出現畸變或不平衡時，其快速性和準確性 都會受到影響，特別是該方法不適用于對單相電壓進行鎖相；②過零鎖相（zero crossing detection-PLL)方法，該方法原理簡單、易于實現，是目前工程實踐中廣泛應用的鎖相技 術，但是該方法易受電網電壓的諧波與噪聲的影響，并且實時性較差。
【發(fā)明內容】
[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種交流電網電壓信號過零點精確檢測方法，解決了交流 電壓信號過零點檢測時，由于硬件檢測電路和軟件算法引起的零點漂移和相位延遲的問 題，提高了對實際信號頻率、相位、幅度信息檢測的準確性和快速性。
[0005] 本發(fā)明所采用的技術方案是，交流電網電壓信號過零點精確檢測方法，具體按照 以下步驟實施：
[0006] 步驟1、設置檢測裝置濾波電路濾波時間常數、選擇處理單元的芯片，根據選擇的 芯片確定A/D轉換增益系數、ADC采樣周期，定時器時鐘頻率及計數模式，進而設定過零點 檢測提前量ΛΤ;
[0007] 步驟2、計算軟件PQ濾波時間常數，提取零點對應的數字量；
[0008] 步驟3、去除零點漂移對過零點檢測的影響，并實時整定ADC采樣結果，根據經步 驟2提取的零點對應的數字量，得到ADC采樣整定結果y (k);
[0009] 步驟4、提取經過步驟3整定后得到的ADC采樣結果y (k)中的最大值，根據y (k) 中的最大值確定電網峰值電壓;
[0010] 步驟5、計算交流電網電壓的半周期值Tb ;
[0011] 步驟6、分別根據步驟1.3確定的Λ T、步驟4確定的Um及步驟5確定的Tb，計算 得到過零點檢測判據AU;
[0012] 步驟7、根據步驟6計算得到的過零點檢測判據，提前預測電壓過零點，并記下此 時TIMx計數器的值t xl ;
[0013] 步驟8、滿足步驟7的條件后，根據步驟1、步驟3和步驟6的結果，計算ADC采樣 間隔引起的過零點檢測隨機延時t b ;
[0014] 步驟9、確定交流電網電壓實際過零點時刻tx2，根據步驟7記下的txl和步驟8計 算得到的t b，計算出電壓us實際過零點時刻的數字量；
[0015] 步驟10、將經步驟9計算得到的tx2寫入定時器--Μχ比較寄存器：當--Μχ計數器 的值等于t x2時，定時器與比較寄存器匹配，得到交流電網電壓us精確過零點時刻；若此時 將正弦表指針歸零，能實現要控制的輸出信號與實際電網電壓保持嚴格的相位同步，即實 現電網電壓過零點精確鎖相；
[0016] 步驟11、重復步驟1?步驟10,即可實現交流電壓過零點的精確檢測。
[0017] 本發(fā)明的特點還在于，
[0018] 步驟1. 1、將交流電壓信號與檢測裝置中的分壓電路連接，確定檢測裝置中濾波電 路的硬件濾波時間常數RC，按照以下算法確定電壓檢測硬件電路對過零點檢測造成的延時 ^具體按照以下算法實施 ：
[0019] t!=RCX218 ；
[0020] 步驟1.2、選擇處理單元內的微控制芯片，根據選擇的芯片分別設置ADC采樣周 期、定時器時鐘頻率及計數模式，結合檢測裝置確定A/D轉換增益系數：
[0021] 處理單元內的微控制芯片采用ARM、DSP或單片機；
[0022] 由處理單元進行ADC轉換，設定電網電壓一個工頻周期內的采樣點數為N，按照以 下算法確定ADC采樣周期：
[0023]
【權利要求】
1. 交流電網電壓信號過零點精確檢測方法，其特征在于，具體按照以下步驟實施： 步驟1、設置檢測裝置濾波電路濾波時間常數、選擇處理單元（6)的芯片，根據選擇的 芯片確定A/D轉換增益系數、ADC采樣周期，定時器時鐘頻率及計數模式，進而設定過零點 檢測提前量ΛΤ; 步驟2、計算軟件PQ濾波時間常數，提取零點對應的數字量； 步驟3、去除零點漂移對過零點檢測的影響，并實時整定ADC采樣結果，根據經步驟2提 取的零點對應的數字量，得到ADC采樣整定結果y (k); 步驟4、提取經過步驟3整定后得到的ADC采樣結果y (k)中的最大值，根據y (k)中 的最大值確定電網峰值電壓Um ; 步驟5、計算交流電網電壓的半周期值Tb ; 步驟6、分別根據步驟1. 3確定的Λ T、步驟4確定的Um及步驟5確定的Tb，計算得到 過零點檢測判據AU ; 步驟7、根據步驟6計算得到的過零點檢測判據，提前預測電壓過零點，并記下此時 ΤΙΜχ計數器的值txl ; 步驟8、滿足步驟7的條件后，根據步驟1、步驟3和步驟6的結果，計算ADC采樣間隔 引起的過零點檢測隨機延時tb ; 步驟9、確定交流電網電壓實際過零點時刻tx2，根據步驟7記下的txl和步驟8計算得 到的tb，計算出電壓us實際過零點時刻的數字量； 步驟10、將經步驟9計算得到的tx2寫入定時器--Μχ比較寄存器：當--Μχ計數器的值 等于tx2時，定時器與比較寄存器匹配，得到交流電網電壓us精確過零點時刻；若此時將正 弦表指針歸零，能實現要控制的輸出信號與實際電網電壓保持嚴格的相位同步，即實現電 網電壓過零點精確鎖相； 步驟11、重復步驟1?步驟10,即可實現交流電壓過零點的精確檢測。
2. 根據權利要求1所述的交流電網電壓信號過零點精確檢測方法，其特征在于，所述 步驟1具體按照以下步驟實施： 步驟1. 1、將交流電壓信號與檢測裝置中檢測電路內的分壓電路（2)連接，確定檢測裝 置中濾波電路（3)的硬件濾波時間常數RC，按照以下算法確定電壓檢測硬件電路對過零點 檢測造成的延時h具體按照以下算法實施： VRCX218 ; 步驟1. 2、選擇處理單元（6)內的微控制芯片，根據選擇的芯片分別設置ADC采樣周期、 定時器時鐘頻率及計數模式，結合檢測裝置確定A/D轉換增益系數： 所述的處理單元（6)內的微控制芯片為ARM、DSP或單片機；由處理單元（6)進行ADC 轉換，設定電網電壓一個工頻周期內的采樣點數為N，按照以下算法確定ADC采樣周期：
由ADC采樣間隔引起的過零點檢測隨機延時tb的極限值為ADC采樣周期Ts，具體按照 以下算法實施：
根據選擇的微控制器芯片，設置其定時器TIMx的時鐘頻率、計數模式和自動重裝載寄 存器周期值； 根據被檢測交流電網電壓幅值和所選擇處理單元（6)內的微控制器芯片ADC位數，確 定ADC數模轉換增益系數，按照以下算法實施：
對工頻電網電壓ADC采樣時設定ADC數模轉換增益系數為4?6. 6 ; 步驟1. 3、根據步驟1. 1確定的硬件濾波造成的過零點檢測延時h，取由ADC采樣間 隔引起的過零點檢測隨機延時tb的最大值為經步驟1. 2計算得到的ADC采樣周期Ts，取 過零點判斷及鎖相程序執(zhí)行造成的過零點檢測隨機延時t2=10?100微秒，取安全裕量 t'彡200微秒，則過零點檢測提前量ΛΤ對應的數字量按以下算法計算： AT=(t1+t2+Ts+t/ ) X218 ； 式中，^為硬件濾波造成的過零點檢測延時，〖2為過零點判斷及鎖相程序執(zhí)行造成的 過零點檢測隨機延時，Ts表示ADC采樣周期，C表示安全裕量。
3. 根據權利要求1所述的交流電壓信號過零點精確檢測方法，其特征在于，所述步驟2 具體按照以下步驟實施： 步驟2. 1、取η為任意整數，則根據步驟1. 2得到的ADC采樣周期Ts，計算出軟件PQ濾 波時間常數Tf，具體按照以下算法實施： Tf=2n · Ts ； 步驟2. 2、提取ADC采樣結果x (k)，按照以下算法確定0V電壓對應的數字量：
4. 根據權利要求1所述的交流電壓信號過零點精確檢測方法，其特征在于，所述步驟3 得到的ADC采樣整定結果y (k)按以下算法實施： y(k)=x(k)_d(k),k=0,l,2,…。
5. 根據權利要求1所述的交流電壓信號過零點精確檢測方法，其特征在于，所述步驟4 具體按照以下方法實施： 先設置一個中間變量temp，若經過步驟3整定后得到的ADC采樣結果y (k)中的最大 值彡temp : 令 temp=y (k),貝丨J Um=temp。
6. 根據權利要求1所述的交流電壓信號過零點精確檢測方法，其特征在于，所述步驟5 具體按照以下方法實施： 將上一時刻TIMx計數器的值記為TIMx_previouscnt，將當前時刻TIMx計數器的值 TIMx_currentcnt ;按照以下算法計算得到此時交流電網電壓的半周期值： Tb=TIMx_currentcnt-TIMx_previouscnt ； 若TIMx_previouscnt小于TIMx_currentcnt，軟件算法實現時會直接按照上述算法計 算交流電壓的半周期值；若TIMx_previouscnt大于TIMx_currentcnt則說明TIMx計數器 發(fā)生自動溢出，軟件算法實現時按照以下算法計算得到此時交流電網電壓的半周期值： Tb=自動重裝載寄存器周期值-TIMx_previouscnt+TIMx_currentcnt。
7. 根據權利要求1所述的交流電壓信號過零點精確檢測方法，其特征在于，所述步驟6 具體按照以下算法計算得到過零點檢測判據AU:
8. 根據權利要求1所述的交流電壓信號過零點精確檢測方法，其特征在于，所述步驟7 具體按照以下方法實施： 經步驟3整定的ADC采樣結果滿足以下關系： [y (k) - Λ u] [y (k-Ι) - Λ U]彡 0 時 由處理單元（6)提前預測到電壓過零點，記下此時--Μχ計數器的值txl，為精確確定交 流電網電壓實際過零點提供時間基準，然后進入步驟8。
9. 根據權利要求1所述的交流電壓信號過零點精確檢測方法，其特征在于，所述步驟8 具體按照以下方法實施： 若步驟7成立，計算此時ADC采樣間隔引起的過零點檢測隨機延時數字量tb，具體按照 以下算法實施：
10. 根據權利要求1所述的交流電壓信號過零點精確檢測方法，其特征在于，所述步驟 9中電壓us實際過零點時刻的數字量，具體按照以下算法實施：
【文檔編號】G01R19/25GK104090151SQ201410148040
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年4月14日 優(yōu)先權日:2014年4月14日
【發(fā)明者】陳增祿, 趙乾坤, 夏冠亞, 程新紅 申請人:西安工程大學
專業(yè)數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
