交流電源過零點檢測新方法及運用實踐微探

尤進強

摘 要：目前在控制技術中，交流電源過零點檢測是一種常見方法，它主要用于交流電源過零點時間、電壓反相點以及交流電源頻率的測定。而提高交流電源過零點檢測的精確性，對于控制以交流電為電源的機械設備而言具有非常重要的作用。因此本文對交流電源過零點檢測新方法及運用實踐進行了深入研究，分析了交流電源過零點傳統檢測方法的不足，從而對過零點檢測新方法及運行做了詳細闡述。

關鍵詞：交流電源；過零點監測；新方法；運用實踐

中圖分類號：G632 文獻標識碼：A

1.交流電源過零點檢測概述

交流電源過零點檢測是控制交流電源中經常應用到的一種方法，它指的是采用相關系統，對從正半周轉換到負半周的交流電波形“過零”的具體時間。過零點檢測的基礎原理具體來說就是在微處理核心芯片中設置一個標準，在輸出正半周正弦波交流電時設置一個確定值，當正弦波交流電輸入發生持續性的變化時，通過微處理核心芯片就能在正弦波交流電的輸出端調制一個方波，這樣一來在示波器上就能將出現正弦波零點的位置正確顯示出來。傳統過零點檢測器的最小單元由比較器組成（如圖1所示）。過零點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，但是具有較好經濟性。二是隔離光耦的檢測方案。這種檢測方案不僅靈敏度較高，同時具有體積小以及檢測精度高等優點，但是其價格較為昂貴。在電機控制的過程中，交流電源過零點檢測具有非常重要的作用，電機轉速的不同主要是由導通角的不同決定的，而導通角則是由開始計時零電壓時的導通時間表征決定的。此外，導通時間也決定了電機轉速的微、低、中、高等4個等級。

2.交流電源過零點檢測傳統方法的不足

2.1 易受背景噪聲大、電壓波動不穩定的干擾

我國具有十分龐大的電網，即使某處電波發生了微小的變化，也有可能無限擴大，并對其他處的電波產生較大的影響。這樣就會造成零點處的輸入信號不能一直處于固定值，同時零點現象也會逐漸增多，最終就會導致實際檢測的過程中，提取零點與基波零點之間存在較大的誤差。

2.2 零點附近容易發生正弦波整形的錯誤動作

一般情況下通過光電之間的轉換特性，采用微處理器對正弦波整形之后的梯形波信號沿所顯示的時間進行檢測，就能計算出交流電源過零點的具體時間。在正弦波整形中，通常情況下使用的芯片都為單片機，因為該芯片不僅使用方便，價格便宜，同時還具有十分廣泛的應用范圍。在單片機實際處理信號的過程中，如果檢測到了下降沿的梯形波，則表示為過零點的獲取時間。但明顯可以看出，真正的零點與這一零點之間存在一定的差異，即過零點檢測的時間有所提前。因此，如果觸發動作必須準確，則傳統的正弦波整形不能滿足其對精度的要求。

2.3 過零比較器的相位以及運放模塊穩定性存在誤差

運放模塊的主要優勢就是價格便宜，但是由于過零比較器與運放模塊構成之間不能實現高度匹配，因而在過零比較器的相位以及運放模塊穩定性之間就會存在一定的誤差。同時在運行的過程中，過零比較器也會產生一定額的熱量，而溫度的變化也會造成輸入失調，并影響到運放模塊性能的穩定性，從而降低交流電源過零點檢測的準確性以及精度。

2.4 光耦過零點上升沿轉換耗時較長，反應速度較慢

光耦下降沿以及上升沿之間相互轉換的時間為120微秒。在應用的過程中，如果要求的反應速度不高，這種轉換時間就能夠達到要求。但如果應用要求反應速度較高，例如在通信應用中，這樣的轉換時間則會對通信質量產生非常不利的影響。換句話說，在120微秒之內，系統已經判定出了過零點的時間，則表明檢測出來的反應時間與120微秒之間存在一定的誤差。

3.交流電源過零點檢測新方法及運用實踐

針對運用傳統方法檢測過零點時存在的缺陷，則可以通過改進電路設計以及算法設計等兩個方面來改進傳統的過零點檢測方法，從而獲得交流電源過零點檢測的新方法。該新方法能夠極大地提高過零點檢測結果的精度，其主要的工作原理則是采用過零點光耦思路來實現的。

3.1 設計電路模式

交流電源過零點檢測新方法中，所應用到的電路一般由4個電路部分組成：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，因設備的體積有所減小，同時設備成本也有所減少。交流電源過零點檢測新方法中電路設計概念圖如圖2所示。

3.2 改進設計電路

限幅電路的增加。這種電路主要有兩個方面的作用，一是起到保護整體運放模塊的作用，避免運放模塊之間電壓差異過大而對運放過程造成損壞。二是能夠有效地降低輸入電壓，避免在有限的供電區域內，正負電源電壓之間的輸出均能獲得較高的真實性以及準確性。此外應注意的是，底部被截以及頂部信號等都不會對交流電源過零點檢測產生影響。

在放大電路中引進多級運算。一般電路的二級放大主要是采用放大器來實現的，放大的級倍數每級約為50倍，一共需要放大2500倍。電路放大之后的特點為工作穩定性高、增益高，并且還具有較大的共模抑制比。當電路被放大2500倍之后，信號波形就會產生較大的信號上升沿，而其對應信號存在的誤差則要比沒有放大過的電路對應信號的誤差小得多，因而能夠極大地提高判定過零點時間的精確度。

微處理器以及單光耦的應用。光耦的邊緣特性時間具有非常大的差異，其差異產生的原因則是由于導通光耦所需時間過長，且不導通的光耦電流向導通光耦電流之間轉換的過程較為漫長。在實際測量中，導通兩個光耦電流所需要的時間差異非常高，能夠達到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面臨較大的難度。而采用微處理器將兩次導通相鄰光二極管過程中的高電平時間，以及未導通過程中的低電平時間記錄下來，就能將交流電源過零點時間準確地計算出來。

3.3 改進設計算法

通常情況下，在交流電源過零點檢測的過程中，由于時鐘具有非常高的穩定性，因此如果測量的正弦波信號具有較高的信噪比，則主要采用傳統的過零點檢測方法進行檢測，這樣的檢測相對簡便。而在交流電源過零點檢測新方法中，設計算法的重點在于對相鄰兩個采樣點之間的特征符號差異進行比較。在設置時鐘頻率采樣的過程中，通常會考慮設置14.6～14.8倍的載波頻率，那么每個半載周期獲得采樣點為7～8個。在交流電源過零點檢測的過程中，如果檢測的符號或者標志沒有發生改變，則正（負）采樣點的連續數據應為7～8個；而如果檢測的符號或者標志發生了改變，則數據就會在多于8個或者少于7個處出現正（負）采樣點。通過對符號或者標志變化的檢測，采用最小二乘法擬合，就能有效地降低隨機誤差，并極大地提高交流電源過零點檢測的精度，從而獲得準確的檢測結果。

結語

綜上所述，交流電源過零點檢測對于人們的日常生活以及工業生產均具有十分重要的作用和意義，由于傳統的交流電源過零點檢測的方法不僅復雜，而且檢測的精度也相對較低，因此本文結合傳統檢測方法中存在的缺點，從硬件以及軟件兩個方面提出了交流電源過零點檢測的新方法，并通過改進電路設計以及算法設計等，來增強過零點檢測裝置的安全性以及檢測結果的準確性。在運用的過程中，通過增加限幅電路以及放大兩級等來促使誤差降低，且在設計算法時采用最小二乘法擬合的方式來加以實現，從而有效地提高了交流電源過零點檢測的精確度。

參考文獻

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