CN110286262B - 一种工频电压过零点检测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种工频电压过零点检测方法，获取工频电压；在工频电压每个周期内进行电压采样，获取若干个采样点；设置自由运转的定时器T1的定时周期为T，T大于工频电压周期；定时器T1记录工频电压周期最后一个采样点结束时的时间t1；对该工频电压周期得到的采样点的电压进行离散傅里叶变换，计算初始电压采样点的相角θ；初始电压采样点的相角θ计算完成，定时器T1记录完成时间t2；记录时间t2后，计算工频电压过零点时间t3，将t3赋值给定时器T1的比较输出寄存器；当定时器T1计数值等于t3时，产生输出比较中断，确定输入电压过零点。还提供了一种工频电压过零点检测系统，能够准确判断出电压的过零点，提高了设备反应的快速性。
Description
技术领域
本发明涉及电力换相领域，具体涉及一种工频电压过零点检测方法及系统。
背景技术
随着用户对用电质量需求的提高和电力技术的发展，人们对日常用电的电能质量要求在提高，目前用于末端电压治理已经提出多种方案，其中的电力换相器成为一种重要的调节三相电压不平衡的应用装置。换相器需要做到零电压开通，零电流关断，这就需要锁定工频电压的过零点，在电压过零点处精确且快速的控制换相开关切换。
但是，目前实现此功能多使用模拟锁相环技术，锁相环路是锁相环技术主要的核心环节，它通过相位误差系统来对相位进行负反馈，进而实现相位的同步。市场上现存的锁相环技术产品普遍存在体积大且成本高的弊端，锁相环的锁定时间受到硬件的限制，实时性和灵活性有待进一步提高，不能满足项目对锁相环技术的水平要求，容易造成资源浪费现象。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种工频电压过零点检测方法及系统，解决了模拟锁相环实时性不足问题，减少硬件消耗。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种工频电压过零点检测方法，其特征是，
获取工频电压；
在工频电压每个周期内进行电压采样，获取若干个采样点；
设置自由运转的定时器T1的定时周期为T，T大于工频电压周期；
定时器T1记录工频电压周期最后一个采样点结束时的时间t 1；
对该工频电压周期得到的采样点的电压进行离散傅里叶变换，计算初始电压采样点的相角θ；
初始电压采样点的相角θ计算完成，定时器T1记录完成时间 t2；
记录时间t2后，计算工频电压过零点时间t3，将t3赋值给定时器T1的比较输出寄存器；
当定时器T1计数值等于t3时，产生输出比较中断，确定输入电压过零点。
进一步地，每个工频电压周期内所述采样点为32个，电压采样周期为20ms/32＝0.625ms。
进一步地，所述计算初始电压采样点的相角θ的方法具体为：
三角函数的余弦形式傅里叶级数公式为：
式中，f(t)为周期信号函数，c0为直流分量，cn为n取不同值时的谐波分量系数，w为角频率，φn为初相角；函数由直流分量及无穷多频率为基频整数倍且幅值和相角不同的信号叠加而成；对上式离散后进行余弦形式的展开为：
令a0＝c0，an＝cncos(φn)，bn＝-cnsin(φn)，傅里叶变换公式写成如下形式：
其中，
k表示第k个采样点，ΔT表示采样周期，初始相角θ表达为：
进一步地，计算工频电压过零点时间t3的方法具体为：
其中，T表示定时器T1的定时周期。
本发明还提供了一种工频电压过零点检测系统，用于实现上述方法，其特征是，包括采集单元和处理单元；
所述采集单元采集实际工频电压信号，转化为单片机可用的采样信号，输入处理单元；
所述处理单元计算工频电压的过零点。
进一步地，所述采集单元的电路为：工频电压信号输入电压互感器PT的两个输入端，电压互感器PT的两个输出端分别连接运算放大器的两个输入端，电阻R1一端连接所述运算放大器的反相输入端，另一端连接所述运算放大器输出端，电阻R2一端连接运算放大器输出端，另一端一路连接处理单元的模数转换器，另一路通过电容C1接地。
进一步地，所述处理单元包括模数转换器ADC、定时器T1和定时器T2；所述模数转换器ADC对输入电压采样信号进行采样；所述定时器T1为自由运转定时器，用于计算工频电压过零点和设置工频电压过零点的比较值；所述定时器T2用于控制模数转换器ADC定时采样。
本发明的有益效果是：
本发明通过一种工频电压过零点检测方法和系统，能够准确判断出电压的过零点，大大减少了硬件的设计，节省了成本，而且能够有效解决模拟期间实时性不满足的限制，提高了设备反应的快速性。
附图说明
图1是本发明工频电压过零点检测方法流程图；
图2是本发明工频电压过零点检测系统结构图；
图3是本发明工频电压过零点检测系统采集单元电路图；
图4是工频电压输入电压波形图。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
如图1所示，本发明提供了一种工频电压过零点检测方法，包括：
获取工频电压；
在工频电压每个周期内进行电压采样，获取若干个采样点；
设置自由运转的定时器T1的定时周期为T，T大于工频电压周期；
定时器T1记录工频电压周期最后一个采样点结束时的时间t 1；
对该工频电压周期得到的采样点的电压进行离散傅里叶变换，计算初始电压采样点的相角θ；
初始电压采样点的相角θ计算完成，定时器T1记录完成时间 t2；
记录时间t2后，计算工频电压过零点时间t3，将t3赋值给定时器T1的比较输出寄存器；
当定时器T1计数值等于t3时，产生输出比较中断，确定输入电压过零点。
结合实现上述检测方法的工频电压过零点检测系统实施例对上述检测方法作具体说明。
所述工频电压过零点检测系统结构如图2所示，包括包括采集单元和处理单元；所述采集单元采集实际工频电压信号，转化为单片机可用的采样信号，输入处理单元；所述处理单元计算工频电压的过零点。
所述采集单元的电路图如图3所示。工频电压信号输入电压互感器PT的两个输入端，电压互感器PT的两个输出端分别连接运算放大器的两个输入端，电阻R1一端连接所述运算放大器的反相输入端，另一端连接所述运算放大器输出端，电阻R2一端连接运算放大器输出端，另一端一路连接处理单元的模数转换器，另一路通过电容C1 接地。
所述处理单元包括模数转换器ADC、定时器T1和定时器T2；所述模数转换器ADC对输入电压采样信号进行采样；所述定时器T1为自由运转定时器，用于计算工频电压过零点和设置工频电压过零点的比较值；所述定时器T2用于控制模数转换器ADC定时采样。
具体检测步骤如下：
1)采集单元采集工频电压，图3所示电路原理图仅展示了三相输入电压中的一相，其他两相电路相同。
2)单片机的模数转换器ADC对输入电压采样信号进行采样，工频电压每周期进行32点采样，即采样周期为20ms/32＝0.625ms。
3)设置一个自由运转定时器T1，它的定时周期为T，T大于工频电压周期。
4)定时器T1记录工频电压周期最后一个采样点结束时的时间 t1，即AD采样中断中最后一个点；
5)计算初始电压采样点的相角θ，对该工频电压周期得到的采样点的电压进行离散傅里叶变换，三角函数的余弦形式傅里叶级数公式为：
式中，f(t)为周期信号函数，c0为直流分量，cn为n取不同值时的谐波分量系数，w为角频率，φn为初相角；函数由直流分量及无穷多频率为基频整数倍且幅值和相角不同的信号叠加而成；对上式离散后进行余弦形式的展开为：
令a0＝c0，an＝cncos(φn)，bn＝-cnsin(φn)，傅里叶变换公式写成如下形式：
其中，
k表示第k个采样点，ΔT表示采样周期，初始相角θ表达为：
采样过程中设置定时器为连续采样模式，且工频频率恒定，这样上周期计算出的初始相角为可作为下周期采样的初始相角。
6)初始电压采样点的相角θ计算完成，定时器T1记录完成时间t2。
7)记录时间t2后，计算工频电压过零点时间t3处的定时器值。根据图4所示工频电压输入电压波形图，t1表示最后一个采样点处定时器T1的计数值，t4表示初始采样点θ，由于ADC采样设置为连续模式，所以将上周期计算出来的初始相角作为此周波采样的初始相角；t2表示采样完成后在傅里叶计算初始相角完成时定时器T1 的计数值。t3处也就是电压过零点时候的定时器T1的值。
t3＝t2+Δt1，其中Δt1＝Δt-Δt2-(t2-t1)+(t4-t1)；其中将Δt转化成自由运转定时器的定时值
Δt2对应的是初始相角，转化成定时器定时值：
转化成定时值：
因此得到如下计算公式。T表示设置的自由运转定时器的周期值。
即
化简后，
t2用于标记t3开始计算的时间。
将计算得到的t3赋值给定时器T1的比较输出寄存器。
8)当定时器T1计数值等于t3时，产生输出比较中断，即当电压过零点的时刻，定时器T1会进入比较输出中断，在中断中进行切换动作，完成电压的零电压关断。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制。对于所属领域的技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的修改或变形。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (5)
1.一种工频电压过零点检测方法，其特征是，
获取工频电压；
在工频电压每个周期内进行电压采样，获取若干个采样点，每个工频电压周期内所述采样点为32个，电压采样周期为20ms/32＝0.625ms；
设置自由运转的定时器T1的定时周期为T，T大于工频电压周期；
定时器T1记录工频电压周期最后一个采样点结束时的时间t1；
对该工频电压周期得到的采样点的电压进行离散傅里叶变换，计算初始电压采样点的相角θ；
初始电压采样点的相角θ计算完成，定时器T1记录完成时间t2；
记录时间t2后，计算工频电压过零点时间t3，将t3赋值给定时器T1的比较输出寄存器；
当定时器T1计数值等于t3时，产生输出比较中断，确定输入电压过零点；
计算工频电压过零点时间t3的方法具体为：
其中，T表示定时器T1的定时周期。
2.根据权利要求1所述的工频电压过零点检测方法，其特征是，所述计算初始电压采样点的相角θ的方法具体为：
三角函数的余弦形式傅里叶级数公式为：
式中，f(t)为周期信号函数，c0为直流分量，cn为n取不同值时的谐波分量系数，w为角频率，φn为初相角；函数由直流分量及无穷多频率为基频整数倍且幅值和相角不同的信号叠加而成；对上式离散后进行余弦形式的展开为：
令a0＝c0，an＝cncos(φn)，bn＝-cnsin(φn)，傅里叶变换公式写成如下形式：
其中，
k表示第k个采样点，ΔT表示采样周期，初始相角θ表达为：
3.一种工频电压过零点检测系统，用于实现权利要求1-2任意一项所述的方法，其特征是，包括采集单元和处理单元；
所述采集单元采集实际工频电压信号，转化为单片机可用的采样信号，输入处理单元；
所述处理单元计算工频电压的过零点。
4.根据权利要求3所述的工频电压过零点检测系统，其特征是，所述采集单元的电路为：工频电压信号输入电压互感器PT的两个输入端，电压互感器PT的两个输出端分别连接运算放大器的两个输入端，电阻R1一端连接所述运算放大器的反相输入端，另一端连接所述运算放大器输出端，电阻R2一端连接运算放大器输出端，另一端一路连接处理单元的模数转换器，另一路通过电容C1接地。
5.根据权利要求4所述的工频电压过零点检测系统，其特征是，所述处理单元包括模数转换器ADC、定时器T1和定时器T2；所述模数转换器ADC对输入电压采样信号进行采样；所述定时器T1为自由运转定时器，用于计算工频电压过零点和设置工频电压过零点的比较值；所述定时器T2用于控制模数转换器ADC定时采样。
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