交流电网电压信号过零点精确检测方法
【专利摘要】本发明公开的交流电压信号过零点精确检测方法，首先选取较大的硬件滤波时间常数，保证能较好地滤除交流电压信号中可能含有的谐波和随机噪声；使用大时间常数软件PQ滤波提取并消除硬件和软件产生的直流漂移；设置一个软件判断提前量以抵消硬件滤波引起的过零点延时；可以精确计算采样间隔产生的随机误差tb；最后，利用嵌入式微控制器的捕获和比较功能实现交流电压频率和相位的准确信息，进而可实现对交流信号的精确锁相。本发明的检测方法解决了交流电压信号过零点检测时，由于硬件检测电路和软件算法引起的零点漂移和相位延迟的问题。
【专利说明】交流电网电压信号过零点精确检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于锁相方法【技术领域】，涉及一种交流电网电压信号过零点精确检测方 法。 技术背景
[0002] 电网电压或电流相位信息的快速准确获取对各种并网变流器的稳态、动态性能 以及安全运行都具有重要的意义。20世纪30年代，锁相技术的概念由学者Appleton和 Bellesciz共同提出，并最早应用于无线电信号的同步接收中。随后，锁相技术被广泛用于 工业领域，如：电机控制系统、电能质量控制系统、分布式发电系统、有源滤波器以及静态无 功补偿器等电力电子变换系统中。如何提高锁相环的快速性和准确性是一个重要的研究课 题。
[0003] 目前，广泛研究应用的锁相环方法主要有：①基于同步旋转坐标变换的软件锁相 环（synchronous rotating frame-PLL)及其改进技术，该方法实时性强，无需进行过零 点比较，可准确获取输入电压基波正序分量频率、幅度和相位等信息，但此锁相技术需要 复杂的坐标变换和大量的数学运算，当电网电压出现畸变或不平衡时，其快速性和准确性 都会受到影响，特别是该方法不适用于对单相电压进行锁相；②过零锁相（zero crossing detection-PLL)方法，该方法原理简单、易于实现，是目前工程实践中广泛应用的锁相技 术，但是该方法易受电网电压的谐波与噪声的影响，并且实时性较差。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种交流电网电压信号过零点精确检测方法，解决了交流 电压信号过零点检测时，由于硬件检测电路和软件算法引起的零点漂移和相位延迟的问 题，提高了对实际信号频率、相位、幅度信息检测的准确性和快速性。
[0005] 本发明所采用的技术方案是，交流电网电压信号过零点精确检测方法，具体按照 以下步骤实施：
[0006] 步骤1、设置检测装置滤波电路滤波时间常数、选择处理单元的芯片，根据选择的 芯片确定A/D转换增益系数、ADC采样周期，定时器时钟频率及计数模式，进而设定过零点 检测提前量ΛΤ;
[0007] 步骤2、计算软件PQ滤波时间常数，提取零点对应的数字量；
[0008] 步骤3、去除零点漂移对过零点检测的影响，并实时整定ADC采样结果，根据经步 骤2提取的零点对应的数字量，得到ADC采样整定结果y (k);
[0009] 步骤4、提取经过步骤3整定后得到的ADC采样结果y (k)中的最大值，根据y (k) 中的最大值确定电网峰值电压;
[0010] 步骤5、计算交流电网电压的半周期值Tb ;
[0011] 步骤6、分别根据步骤1.3确定的Λ T、步骤4确定的Um及步骤5确定的Tb，计算 得到过零点检测判据AU;
[0012] 步骤7、根据步骤6计算得到的过零点检测判据，提前预测电压过零点，并记下此 时TIMx计数器的值t xl ;
[0013] 步骤8、满足步骤7的条件后，根据步骤1、步骤3和步骤6的结果，计算ADC采样 间隔引起的过零点检测随机延时t b ;
[0014] 步骤9、确定交流电网电压实际过零点时刻tx2，根据步骤7记下的txl和步骤8计 算得到的t b，计算出电压us实际过零点时刻的数字量；
[0015] 步骤10、将经步骤9计算得到的tx2写入定时器--Μχ比较寄存器：当--Μχ计数器 的值等于t x2时，定时器与比较寄存器匹配，得到交流电网电压us精确过零点时刻；若此时 将正弦表指针归零，能实现要控制的输出信号与实际电网电压保持严格的相位同步，即实 现电网电压过零点精确锁相；
[0016] 步骤11、重复步骤1?步骤10,即可实现交流电压过零点的精确检测。
[0017] 本发明的特点还在于，
[0018] 步骤1. 1、将交流电压信号与检测装置中的分压电路连接，确定检测装置中滤波电 路的硬件滤波时间常数RC，按照以下算法确定电压检测硬件电路对过零点检测造成的延时 ^具体按照以下算法实施 ：
[0019] t!=RCX218 ；
[0020] 步骤1.2、选择处理单元内的微控制芯片，根据选择的芯片分别设置ADC采样周 期、定时器时钟频率及计数模式，结合检测装置确定A/D转换增益系数：
[0021] 处理单元内的微控制芯片采用ARM、DSP或单片机；
[0022] 由处理单元进行ADC转换，设定电网电压一个工频周期内的采样点数为N，按照以 下算法确定ADC采样周期：
[0023]
【权利要求】
1. 交流电网电压信号过零点精确检测方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施： 步骤1、设置检测装置滤波电路滤波时间常数、选择处理单元（6)的芯片，根据选择的 芯片确定A/D转换增益系数、ADC采样周期，定时器时钟频率及计数模式，进而设定过零点 检测提前量ΛΤ; 步骤2、计算软件PQ滤波时间常数，提取零点对应的数字量； 步骤3、去除零点漂移对过零点检测的影响，并实时整定ADC采样结果，根据经步骤2提 取的零点对应的数字量，得到ADC采样整定结果y (k); 步骤4、提取经过步骤3整定后得到的ADC采样结果y (k)中的最大值，根据y (k)中 的最大值确定电网峰值电压Um ; 步骤5、计算交流电网电压的半周期值Tb ; 步骤6、分别根据步骤1. 3确定的Λ T、步骤4确定的Um及步骤5确定的Tb，计算得到 过零点检测判据AU ; 步骤7、根据步骤6计算得到的过零点检测判据，提前预测电压过零点，并记下此时 ΤΙΜχ计数器的值txl ; 步骤8、满足步骤7的条件后，根据步骤1、步骤3和步骤6的结果，计算ADC采样间隔 引起的过零点检测随机延时tb ; 步骤9、确定交流电网电压实际过零点时刻tx2，根据步骤7记下的txl和步骤8计算得 到的tb，计算出电压us实际过零点时刻的数字量； 步骤10、将经步骤9计算得到的tx2写入定时器--Μχ比较寄存器：当--Μχ计数器的值 等于tx2时，定时器与比较寄存器匹配，得到交流电网电压us精确过零点时刻；若此时将正 弦表指针归零，能实现要控制的输出信号与实际电网电压保持严格的相位同步，即实现电 网电压过零点精确锁相； 步骤11、重复步骤1?步骤10,即可实现交流电压过零点的精确检测。
2. 根据权利要求1所述的交流电网电压信号过零点精确检测方法，其特征在于，所述 步骤1具体按照以下步骤实施： 步骤1. 1、将交流电压信号与检测装置中检测电路内的分压电路（2)连接，确定检测装 置中滤波电路（3)的硬件滤波时间常数RC，按照以下算法确定电压检测硬件电路对过零点 检测造成的延时h具体按照以下算法实施： VRCX218 ; 步骤1. 2、选择处理单元（6)内的微控制芯片，根据选择的芯片分别设置ADC采样周期、 定时器时钟频率及计数模式，结合检测装置确定A/D转换增益系数： 所述的处理单元（6)内的微控制芯片为ARM、DSP或单片机；由处理单元（6)进行ADC 转换，设定电网电压一个工频周期内的采样点数为N，按照以下算法确定ADC采样周期：
由ADC采样间隔引起的过零点检测随机延时tb的极限值为ADC采样周期Ts，具体按照 以下算法实施：
根据选择的微控制器芯片，设置其定时器TIMx的时钟频率、计数模式和自动重装载寄 存器周期值； 根据被检测交流电网电压幅值和所选择处理单元（6)内的微控制器芯片ADC位数，确 定ADC数模转换增益系数，按照以下算法实施：
对工频电网电压ADC采样时设定ADC数模转换增益系数为4?6. 6 ; 步骤1. 3、根据步骤1. 1确定的硬件滤波造成的过零点检测延时h，取由ADC采样间 隔引起的过零点检测随机延时tb的最大值为经步骤1. 2计算得到的ADC采样周期Ts，取 过零点判断及锁相程序执行造成的过零点检测随机延时t2=10?100微秒，取安全裕量 t'彡200微秒，则过零点检测提前量ΛΤ对应的数字量按以下算法计算： AT=(t1+t2+Ts+t/ ) X218 ； 式中，^为硬件滤波造成的过零点检测延时，〖2为过零点判断及锁相程序执行造成的 过零点检测随机延时，Ts表示ADC采样周期，C表示安全裕量。
3. 根据权利要求1所述的交流电压信号过零点精确检测方法，其特征在于，所述步骤2 具体按照以下步骤实施： 步骤2. 1、取η为任意整数，则根据步骤1. 2得到的ADC采样周期Ts，计算出软件PQ滤 波时间常数Tf，具体按照以下算法实施： Tf=2n · Ts ； 步骤2. 2、提取ADC采样结果x (k)，按照以下算法确定0V电压对应的数字量：
4. 根据权利要求1所述的交流电压信号过零点精确检测方法，其特征在于，所述步骤3 得到的ADC采样整定结果y (k)按以下算法实施： y(k)=x(k)_d(k),k=0,l,2,…。
5. 根据权利要求1所述的交流电压信号过零点精确检测方法，其特征在于，所述步骤4 具体按照以下方法实施： 先设置一个中间变量temp，若经过步骤3整定后得到的ADC采样结果y (k)中的最大 值彡temp : 令 temp=y (k),贝丨J Um=temp。
6. 根据权利要求1所述的交流电压信号过零点精确检测方法，其特征在于，所述步骤5 具体按照以下方法实施： 将上一时刻TIMx计数器的值记为TIMx_previouscnt，将当前时刻TIMx计数器的值 TIMx_currentcnt ;按照以下算法计算得到此时交流电网电压的半周期值： Tb=TIMx_currentcnt-TIMx_previouscnt ； 若TIMx_previouscnt小于TIMx_currentcnt，软件算法实现时会直接按照上述算法计 算交流电压的半周期值；若TIMx_previouscnt大于TIMx_currentcnt则说明TIMx计数器 发生自动溢出，软件算法实现时按照以下算法计算得到此时交流电网电压的半周期值： Tb=自动重装载寄存器周期值-TIMx_previouscnt+TIMx_currentcnt。
7. 根据权利要求1所述的交流电压信号过零点精确检测方法，其特征在于，所述步骤6 具体按照以下算法计算得到过零点检测判据AU:
8. 根据权利要求1所述的交流电压信号过零点精确检测方法，其特征在于，所述步骤7 具体按照以下方法实施： 经步骤3整定的ADC采样结果满足以下关系： [y (k) - Λ u] [y (k-Ι) - Λ U]彡 0 时 由处理单元（6)提前预测到电压过零点，记下此时--Μχ计数器的值txl，为精确确定交 流电网电压实际过零点提供时间基准，然后进入步骤8。
9. 根据权利要求1所述的交流电压信号过零点精确检测方法，其特征在于，所述步骤8 具体按照以下方法实施： 若步骤7成立，计算此时ADC采样间隔引起的过零点检测随机延时数字量tb，具体按照 以下算法实施：
10. 根据权利要求1所述的交流电压信号过零点精确检测方法，其特征在于，所述步骤 9中电压us实际过零点时刻的数字量，具体按照以下算法实施：
【文档编号】G01R19/25GK104090151SQ201410148040
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年4月14日 优先权日:2014年4月14日
【发明者】陈增禄, 赵乾坤, 夏冠亚, 程新红 申请人:西安工程大学