CN104090151A - 交流电网电压信号过零点精确检测方法 - Google Patents

Abstract

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t_b；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。

Description

交流电网电压信号过零点精确检测方法

技术领域

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

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。

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

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。

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：

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ΔT；

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U_m；

步骤5、计算交流电网电压的半周期值T_b；

步骤6、分别根据步骤1.3确定的ΔT、步骤4确定的U_m及步骤5确定的T_b，计算得到过零点检测判据ΔU；

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_x1；

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；

步骤9、确定交流电网电压实际过零点时刻t_x2，根据步骤7记下的t_x1和步骤8计算得到的t_b，计算出电压u_s实际过零点时刻的数字量；

步骤10、将经步骤9计算得到的t_x2写入定时器TIMx比较寄存器：当TIMx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u_s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。

本发明的特点还在于，

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t₁具体按照以下算法实施：

t₁=RC×2¹⁸；

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：

处理单元内的微控制芯片采用ARM、DSP或单片机；

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：

由ADC采样间隔引起的过零点检测随机延时t_b的极限值为ADC采样周期T_s，具体按照以下算法实施：

$0\&le;t_b=\frac{x\left(k\right)}{x\left(k\right)-x(k-1)}{T}_s<T_s;$

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t₁，取由ADC采样间隔引起的过零点检测随机延时t_b的最大值为经步骤1.2计算得到的ADC采样周期T_s，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微秒～100微秒，取安全裕量t′≥200微秒，则过零点检测提前量ΔT对应的数字量按以下算法计算：

ΔT=(t₁+t₂+T_s+t′)×2¹⁸；

式中，t₁为硬件滤波造成的过零点检测延时，t₂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，T_s表示ADC采样周期，t′表示安全裕量。

步骤2具体按照以下步骤实施：

步骤2.1、取n为任意整数，则根据步骤1.2得到的ADC采样周期T_s，计算出软件PQ滤波时间常数T_f，具体按照以下算法实施：

T_f=2ⁿ·T_s；

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：

$d\left(k\right)=d(k-1)+\frac{1}{2^n}(x\left(k\right)-d(k-1)).$

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=0，1，2，…。

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≥temp：

令temp=y(k)，则U_m=temp。

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：

T_b=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：

T_b=自动重装载寄存器周期值-TIMx_previouscnt+TIMx_currentcnt。

步骤6具体按照以下算法计算得到过零点检测判据ΔU：

$\mathrm{\&Delta;U}=-U_m\&times;\frac{2\mathrm{\&pi;}}{T_b}\mathrm{\&Delta;T}.$

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)-ΔU][y(k-1)-ΔU]≤0时

由处理单元提前预测到电压过零点，记下此时TIMx计数器的值t_x1，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。

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t_b，具体按照以下算法实施：

$t_b=\frac{y\left(k\right)-\mathrm{\&Delta;U}}{y(k-1)-\mathrm{\&Delta;U}}\&times;T_S\&times;2^{18}.$

步骤9中电压u_s实际过零点时刻的数字量，具体按照以下算法实施：

t_x2=t_x1+ΔT-t₁-t_b。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明的交流电网电压信号过零点精确检测方法中，允许设置较大的硬件滤波时间常数，有利于提高过零点锁相的抗干扰性能；

（2）本发明的交流电网电压信号过零点精确检测方法中，锁相精度不受程序执行时间随机变化以及ADC采样间隔引起的随机延时的影响；

（3）本发明的交流电网电压信号过零点精确检测方法对电网电压幅值和周期的变化有快速的自适应能力，当电网电压发生阶跃变化时，能在一个周期内实现精确锁相；

（4）本发明的交流电网电压信号过零点精确检测方法能实时更新过零点检测判据，有效提高了交流信号过零点检测的准确性；

（5）本发明的交流电网电压信号过零点精确检测方法所采用的装置结构简单，能够适应于交流电压信号稳定或暂变的场合。

附图说明

图1是本发明交流电网电压信号过零点精确检测方法中采用的软件PQ滤波法去零漂的原理图；

图2是本发明交流电网电压信号过零点精确检测方法中采样间隔和程序执行对锁相精度的影响示意图；

图3是本发明交流电网电压信号过零点精确检测方法中过零点精确锁相示意图；

图4为本发明交流电网电压信号过零点精确检测方法中采用的检测装置的结构图；

图5为本发明交流电网电压信号过零点精确检测方法的流程图。

图中，1.交流电网，2.分压电路，3.滤波电路，4.幅值整定电路，5.A/D转换电路，6.处理单元。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明交流电网电压信号过零点精确检测方法中涉及的原理如下：

（1）软件PQ滤波去零漂原理如下：

由于电压检测前置放大器受温度变化的影响会引起零点漂移、SPWM变换器开关系数的不平衡、ADC前置放大器的直流漂移、模拟信号数字化表示的截尾误差等都会使得电网电压检测的ADC采样结果中存在直流漂移分量，这些直流漂移分量的特点是变化非常缓慢，因此可以用一个大时间常数的惯性数字滤波器将其分离出来；PQ滤波的物理模型等价为稳态增益恒为1的一阶惯性滤波器；只要设定其滤波时间常数足够大，滤波的结果就只剩下被测信号中的直流成分，其原理如图1所示，x（k）表示某相交流电压ADC采样后的数字序列，k为序列号，d（k）表示数字序列x（k）中的直流分量，即由PQ滤波的输出d（k）就是x（k）中的直流分量，所以从x（k）中去除d（k）后就得到无直流分量的电网电压数字序列y（k），即得到如下算法：

y(k)=x(k)-d(k)，k=0，1，2，…（1）；

根据一阶惯性滤波器数字化实现原理，得到PQ滤波的递推公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}d\left(k\right)=\mathrm{pd}(k-1)+\mathrm{qx}\left(k\right),k=\mathrm{1,2},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\\ p+q=1\end{array}\right.---\left(2\right);$

令 $p=\frac{2^n-1}{2^n}$ ,n取整数；

得到： $d\left(k\right)=d(k-1)+\frac{1}{2^n}(x\left(k\right)-d(k-1))---\left(3\right);$

公式（3）是一个稳态增益为1的一阶惯性滤波，滤波时间常数按以下算法实施：

T_f=2ⁿ·T_s    （4）；

其中，T_s为ADC采样周期。

对比公式（2）和公式（3）可以看出，本发明的检测方法中PQ滤波的计算量非常小，每个ADC采样周期只要做一次加法运算和一次n位的右移；由公式（4）得到，只要选择适当的n，就可以得到足够大的PQ滤波时间常数T_f，而n值与ADC采样周期T_s的取值直接由采用的处理单元（微控制器）的控制精度决定，处理单元（微控制器）的控制精度越高，n与ADC采样周期T_s的可变范围越大。

（2）硬件滤波及其相位延迟：

交流电压锁相一般采用电压过零点检测的方法，工程上在电压检测前置放大器的输入和输出之间往往会人为地加入一个RC滤波环节，然而，对于硬件滤波时间常数RC的选取，存在一个矛盾：即减小硬件滤波时间常数RC的值能提高过零检测的精度，但是电压过零点附近的噪声可能产生多个过零点，造成过零点检测误差，进而造成锁相失败；增大硬件滤波时间常数RC的值能够有效滤除电压过零点噪声，避免多余过零点，但会造成较大的过零点检测延时。

设定电压检测硬件滤波时间常数RC，由滤波环节引起的相位滞后角θ具体按照以下算法计算：

θ=arctanω_bRC    （5）；

公式（5）中，θ为由滤波环节引起的相位滞后角，ω_b为电网电压角频率，RC为硬件滤波时间常数，根据下式：

$0<\mathrm{RC}<<\frac{2\mathrm{\&pi;}}{{\mathrm{\&omega;}}_b}=T_b$

公式（6）中，T_b为电网电压周期，ω_b为电网电压角频率，RC为硬件滤波时间常数RC；

将公式（5）转化为如下方式：

θ=arctanω_bRC≈ω_bRC    （7）；

由电压检测硬件电路滤波环节引起的滞后时间t₁按照以下算法得到：

$t_1=\frac{\mathrm{\&theta;}}{{\mathrm{\&omega;}}_b}\&ap;\frac{{\mathrm{\&omega;}}_b\mathrm{RC}}{{\mathrm{\&omega;}}_b}=\mathrm{RC}---\left(8\right);$

公式（8）中，θ为由滤波环节引起的相位滞后角，ω_b为电网电压角频率，RC为硬件滤波时间常数。

当硬件滤波时间常数RC远小于电网电压周期值T_b时，电压检测硬件电路对过零点检测造成的延时t₁近似等于电压检测硬件滤波时间常数RC；在满足公式（6）的条件下，公式（8）与ω_b无关，所以本发明的检测方法适用于频率缓慢变化的场合。

（3）ADC采样间隔和软件程序运算对锁相精度的影响：

根据过零点检测的原理，当检测到第k拍ADC采样结果x（k）≥0，而第k-1拍的采样结果x（k-1）<0时，认为检测到过零点；而这一判断过程还要一个执行时间t₂，才能确认出现了过零点，如图2所示，在x（k）的采样时刻，M₁相对于实际过零点M而言，随机的滞后了一个时间t_b；具体程序中，由于过零点检测和锁相往往设置在中断子程序中，若系统程序中设置的中断子程序不止一个，且优先级高于锁相中断程序的优先级，则t₂是一个可变的未知量；随机延时t_b和t₂的存在同样会引起过零点检测的相位滞后。

图2中，T_s表示ADC采样周期，M点为电压实际过零点，M₁点为y（k）的采样时刻，M₂点为程序判断到过零点的时刻，t₂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，t_b为ADC采样间隔引起的过零点检测随机延时。

如图2所示，根据相似三角形原理，计算得到t_b满足以下关系：

$0\&le;t_b=\frac{x\left(k\right)}{x\left(k\right)-x(k-1)}{T}_s<T_s---\left(9\right);$

ADC采样间隔引起的过零点检测随机延时t_b的极限值为ADC采样周期T_s。

（4）交流电压过零点精确检测方法的原理如下：

①选择足够大的PQ滤波时间常数T_f，用于有效去除直流漂移，同时又不影响电网电压的实时波形；

②选取较大的硬件滤波时间常数RC，保证能较好地滤除电网电压的随机噪声；

③采用软件算法精确补偿硬件滤波延时t₁、ADC采样间隔引起的随机延时t_b以及软件程序执行时间引起的随机延时t₂；

以交流电压正向过零点为例，分析采用软件算法自适应精确补偿上述相位延迟的原理：

令交流电压信号的表达式如下：

u_s(t)=U_msinω_bt    （10）；

式（10）中，U_m为交流电压信号的峰值电压，ω_b为电网电压角频率，t为实时存在的时间；

电网电压经过硬件滤波后送给ADC采样的电压表达式为如下：

u_ADC(t)=U_m1sinω_b(t-t₁)    （11）；

式（11）中，U_m1为ADC采样电压的峰值；由式（6）的ω_bRC<<1，得到U_m1≈U_m，则式（11）能够近似表示为如下算法：

u_ADC(t)≈U_msinω_b(t-t₁)    （12）；

取一个过零点检测提前量ΔT，使程序能在交流电网电压实际过零点以前预见到过零点，如图3所示，实线表示实际电压u_s，点划线表示硬件滤波后送给ADC采样的电压u_ADC；

令ΔT=t₁+t₂+T_s+t′    （13）；

式（13）中，t₁为硬件滤波造成的过零点检测延时，t₂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；T_s表示采样间隔引起的过零点检测随机延时t_b的极限值，t′表示人为设定的一个安全裕量；

由于ΔT<<T_b，在过零点附近，u_ADC上与ΔT对应的电压按如下算法计算：

$\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;U}=U_m\sin (-{\mathrm{\&omega;}}_b\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;T})\\ \&ap;-U_m{\mathrm{\&omega;}}_b\mathrm{\&Delta;T}\\ =-U_m\frac{2\mathrm{\&pi;}}{T_b}\mathrm{\&Delta;T}\end{array}---\left(14\right);$

以“交越ΔU”为过零点检测判断依据，当第k拍的采样整定结果y（k），第k-1拍的采样整定结果y（k-1）满足如下关系时，程序在实际电网电压到达过零点之前预见到过零点；

[y(k)-ΔU][y(k-1)-ΔU]≤0    （15）；

此时公式（9）表示为：

$t_b=\frac{y\left(k\right)-\mathrm{\&Delta;U}}{y\left(k\right)-y(k-1)}{T}_s---\left(16\right);$

由公式（15），当ΔT一定时，过零点检测判据ΔU只与峰值电压U_m和交流电压周期T_b有关，因此根据检测到的U_m和T_b实时更新ΔU即可；该方法同样适用于电网电压幅值或相位发生突变的场合，并且过渡过程最多为一个工频周期。

设定一个定时周期大于工频周期T_b的时钟定时器t_x，提供一个客观时钟，在每个ADC采样时刻捕获时钟定时器的时间值，记为t_xk；记当前时刻的t_xk为t_x1，t_x1为精确确定电网电压u_s的过零点提供时间基准；然后根据公式（16）计算得到t_b；由图3可知，u_s的过零点将会发生在t_x1之后的Δt_x时刻，且有：

Δt_x=ΔT-t₁-t_b    （17）；

进而求得电网电压u_s正向过零点发生时t_x的时间值为：

t_x2=t_x1+Δt_x    （18）；

将t_x2写入定时器比较寄存器，当计数器的值等于t_x2时，定时器与比较寄存器匹配，得到电网电压u_s精确过零点时刻；若此时将正弦表指针归零，即可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，t_x1，t_x2与Δt_x之间的关系也表示在图3中。图3中，实线表示实际电网电压u_s，点划线表示硬件滤波后送给ADC采样的电压u_ADC，t₁为硬件滤波造成的过零点检测延时；t₂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；T_s表示采样间隔引起的过零点检测随机延时t_b的极限值，t′表示人为设定的一个安全裕量，ΔT为本发明设定的过零点精确检测提前量，t_x1为每个ADC采样时刻捕获时钟定时器的值，t_x2为交流电压u_s正向过零点发生时的时间值，Δt_x为检测过零点t_x1滞后于实际过零点t_x2的时间值，ΔU为本发明交流电压过零点精确检测判据。

负向过零点锁相与此类似，不同的仅仅是公式（14）计算出的ΔU取正值，得到电压实际负向过零点时刻时，给正弦表指针赋值为正弦表点数的一半。

本发明的检测方法中采用了检测装置，该检测装置的结构如图4所示，包括有通过导线连接的检测电路和处理单元6，其中检测电路由分压电路2、滤波电路3、幅值整定电路4及A/D转换电路5通过导线依次连接构成；处理单元6是一个微控制器。

分压电路2实现对交流强电信号的分压及交流强电信号与控制弱电信号的隔离；滤波电路3实现对交流强电信号过零点处谐波和随机噪声的滤除；幅值整定电路4实现分压电路输出到微控制器模数转换电路输入的整定，进而实现对交流强电信号的采样；A/D转换电路5用于将采样到的模拟交流信号转换为数字信号；处理单元6用于将采样得到的交流信号输入至预先设置好的计算、比较公式进行比较计算。

本发明的交流电网电压信号过零点精确检测方法，如图5所示，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ΔT：

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，确定检测装置中滤波电路3的硬件滤波时间常数RC，经计算得到电压检测硬件电路对过零点检测造成的延时t₁，具体按照以下算法实施：

$t_1=\frac{\mathrm{\&theta;}}{{\mathrm{\&omega;}}_b}\&ap;\frac{{\mathrm{\&omega;}}_b\mathrm{RC}}{{\mathrm{\&omega;}}_b}=\mathrm{RC};$

式中，θ表示由滤波环节引起的相位滞后角，ω_b表示电网电压角频率；

为了能有效滤除交流电网电压过零点处的谐波和随机噪声，要预先确定检测装置中滤波电路3的硬件滤波时间常数RC，硬件滤波时间常数RC为0～1ms，根据确定好的硬件滤波时间常数RC得到电压检测硬件电路对过零点检测造成的延时t₁，t₁≈RC，为提高计算精度，对计算变量都采用Q18定标（即对参与计算的实际数据都左移18位），对应的数字量按照如下算法计算：

t₁=RC×2¹⁸；

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：

处理单元6内的微控制芯片采用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t_b的极限值为ADC采样周期T_s，具体按照以下算法实施：

$0\&le;t_b=\frac{x\left(k\right)}{x\left(k\right)-x(k-1)}{T}_s<T_s;$

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：

为避免微控制器运算溢出，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、设定过零点检测提前量，根据步骤1.1确定的硬件滤波造成的过零点检测延时t₁，取由ADC采样间隔引起的过零点检测随机延时t_b的最大值为经步骤1.2计算得到的ADC采样周期T_s，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′，则设定的过零点检测提前量ΔT对应的数字量按以下算法计算：

ΔT=(t₁+t₂+T_s+t′)×2¹⁸；

式中，t₁为硬件滤波造成的过零点检测延时，t₂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，T_s表示ADC采样周期，t′表示安全裕量；

过零点检测提前量ΔT的取值，直接关系到交流电压过零点精确检测的准确性。因为在实际应用中，电压检测硬件电路造成的延时时间t₁能够测到，而ADC采样间隔引起的过零点检测随机延时t_b以及软件程序执行时间t₂不固定，所以要求在设定ΔT时需要留有足够的安全裕量t′，推荐安全裕量t′≥200微秒。

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2.1、n取任意整数，则根据步骤1.2得到的ADC采样周期T_s，计算出软件PQ滤波时间常数T_f，具体按照以下算法实施：

T_f=2ⁿ·T_s；

步骤2.2、如图5中的步骤S2所示，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：

$d\left(k\right)=d(k-1)+\frac{1}{2^n}(x\left(k\right)-d(k-1)).$

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，具体如图5中的步骤S3所示，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）按如下算法实施：

y(k)=x(k)-d(k)，k=0，1，2，…。

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U_m，具体如图5中的步骤S4所示，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≥temp：

令temp=y(k)，则U_m=temp。

步骤5、如图5中的步骤S9所示，计算交流电网电压的半周期值T_b；

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：

T_b=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：

T_b=自动重装载寄存器周期值-TIMx_previouscnt+TIMx_currentcnt。

步骤6、如图5中的步骤S5所示，分别根据步骤1.3确定的ΔT、步骤4确定的U_m及步骤5确定的T_b，按照以下算法计算得到过零点检测判据ΔU：

$\mathrm{\&Delta;U}=-U_m\&times;\frac{2\mathrm{\&pi;}}{T_b}\mathrm{\&Delta;T};$

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，即经步骤3整定得到的ADC采样结果满足以下关系：

[y(k)-ΔU][y(k-1)-ΔU]≤0；

如图5中的步骤S6和步骤S1所示，若满足上述关系式：由处理单元6提前预测到电压过零点，记下此时TIMx计数器的值t_x1，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；

步骤8、如图5中的步骤S7所示，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：

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t_b，具体按照以下算法实施：

$t_b=\frac{y\left(k\right)-\mathrm{\&Delta;U}}{y(k-1)-\mathrm{\&Delta;U}}\&times;T_S\&times;2^{18}.$

步骤9、如图5中的步骤S8所示，确定交流电网电压实际过零点时刻t_x2，根据步骤7记下的t_x1和步骤8计算得到的t_b，计算出电压u_s实际过零点时刻的数字量，具体按照以下算法实施：

t_x2=t_x1+ΔT-t₁-t_b。

步骤10、如图5中的步骤S9和S10所示，将经步骤9计算得到的t_x2写入定时器TIMx比较寄存器：

当TIMx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u_s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。

重复上述步骤1～步骤10，即可实现交流电压过零点的精确检测。

实施例：

为有效滤除电网电压过零点处的谐波和随机噪声，例如取滤波时间常数RC为300μs，根据步骤1.1可得电压检测硬件电路对过零点检测造成的延时对应的数字量为t₁=300×10^-6×2¹⁸≈79；

若采用主频为72MHz的STM32F103VBT6微控制芯片进行ADC转换，并设定额定220V电网电压一个工频周期内的采样点数N=400；将ARM芯片系统时钟频率的24分频作为通用定时器TIMx的时钟频率，设定其计数模式为向上计数，自动重装载寄存器周期值为65535；考虑到程序算法的精确度，设定峰值455V交流电压对应12位的ADC，则根据步骤1.2可得：

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=50μs，取安全裕量t′=200μs，则根据步骤1.3得要设定的过零点检测提前量ΔT对应的数字量为

ΔT=(300+50+50+200)×10^-6×2¹⁸≈157；

若取n=16，则根据步骤2.1可确定软件PQ滤波时间常数T_f=2ⁿ·T_s=3.27675s；

例如当交流455V电网电压对应的ADC数字量为0～4095时，理论上0V电压对应的数字量应该为2048，然而由于零点漂移问题的存在，经过步骤2.2软件PQ滤波后，实际上0V电压对应的数字量变为了2240；

若电网电压幅值突降为200V（额定），则可计算得此时检测到的峰值电压数字量为 $U_m=2240+200\&times;\sqrt{2}\&times;4.5\&ap;3513;$

若上一时刻TIMx计数器的值TIMx_previouscnt=36864，当前时刻TIMx计数器的值TIMx_currentcnt=1619，则说明TIMx计数器发生自动溢出，根据步骤5可求得此时电网电压的半周期值

T_b=65535-36864+1619=30290；

根据步骤6可求得过零点检测判据

$\mathrm{\&Delta;U}=-3513\&times;\frac{2\mathrm{\&pi;}}{30290}\&times;157\&ap;-114;$

根据步骤3算法，实时整定ADC采样结果，以去除零点漂移对过零点检测的影响；例如经过步骤3后，当前时刻的ADC采样整定结果y(k)=-102，上一时刻的ADC采样整定结果y(k-1)=-120，易知(-102+114)(-120+114)=-72<0，满足步骤7的判断条件，说明电网电压正向过零点即将到来，记下此时TIMx计数器的值t_x1=1546；

根据步骤8算法可求得此时ADC采样间隔引起的过零点检测随机延时数字量为 $t_b=\frac{-102+114}{-102+120}\&times;50\&times;{10}^{-6}\&times;2^{18}=5;$

依据步骤9算法可计算求得电压u_s实际过零点时刻的数字量为

t_x2=1546+157-79-5=1619；

将t_x2写入定时器TIMx比较寄存器，按照步骤10操作即可实现电网电压过零点精确锁相。

Claims (10)

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ΔT；

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U_m；

步骤5、计算交流电网电压的半周期值T_b；

步骤6、分别根据步骤1.3确定的ΔT、步骤4确定的U_m及步骤5确定的T_b，计算得到过零点检测判据ΔU；

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_x1；

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；

步骤9、确定交流电网电压实际过零点时刻t_x2，根据步骤7记下的t_x1和步骤8计算得到的t_b，计算出电压u_s实际过零点时刻的数字量；

步骤10、将经步骤9计算得到的t_x2写入定时器TIMx比较寄存器：当TIMx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u_s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t₁具体按照以下算法实施：

t₁=RC×2¹⁸；

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t_b的极限值为ADC采样周期T_s，具体按照以下算法实施：

$0\&le;t_b=\frac{x\left(k\right)}{x\left(k\right)-x(k-1)}{T}_s<T_s;$

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t₁，取由ADC采样间隔引起的过零点检测随机延时t_b的最大值为经步骤1.2计算得到的ADC采样周期T_s，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′≥200微秒，则过零点检测提前量ΔT对应的数字量按以下算法计算：

ΔT=(t₁+t₂+T_s+t′)×2¹⁸；

式中，t₁为硬件滤波造成的过零点检测延时，t₂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，T_s表示ADC采样周期，t′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n为任意整数，则根据步骤1.2得到的ADC采样周期T_s，计算出软件PQ滤波时间常数T_f，具体按照以下算法实施：

T_f=2ⁿ·T_s；

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：

$d\left(k\right)=d(k-1)+\frac{1}{2^n}(x\left(k\right)-d(k-1)).$

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=0，1，2，…。

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≥temp：

令temp=y(k)，则U_m=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：

T_b=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：

T_b=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ΔU：

$\mathrm{\&Delta;U}=-U_m\&times;\frac{2\mathrm{\&pi;}}{T_b}\mathrm{\&Delta;T}.$

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)-ΔU][y(k-1)-ΔU]≤0时

由处理单元（6）提前预测到电压过零点，记下此时TIMx计数器的值t_x1，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t_b，具体按照以下算法实施：

$t_b=\frac{y\left(k\right)-\mathrm{\&Delta;U}}{y(k-1)-\mathrm{\&Delta;U}}\&times;T_S\&times;2^{18}.$

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u_s实际过零点时刻的数字量，具体按照以下算法实施：

t_x2=t_x1+ΔT-t₁-t_b。