CN110780110A - 一种基波电压过零点自动检测方法、系统及采样装置 - Google Patents

Abstract

一种基波电压过零点自动检测方法、系统及采样装置，包括通过单片机对交流信号进行采样；采样至少两个周期，获得若干采样点，标记每个采样点及采样点的平面坐标；将两个相邻采样点和基准值进行比较判断采样点是否是过零点，再判断是正向过零还是反向过零，得到过零点数组Zn；以此过零点数组Zn来代表过零点的平面图形意义。依据采样波形的周期性函数特征对过零点数组进行判断，排除干扰过零点数组；通过找到至少两个采样周期内的基波电压正弦波过零点数组或基波电压正弦波过零点处的陷波过零点数组或谐波过零点数组，推算下个周期过零点数组。本发明提出一种利用有ADC功能的单片机采样并检测过零点的方法，抗干扰性强，精度高。

Description

一种基波电压过零点自动检测方法、系统及采样装置

技术领域

本发明涉及交流电网电压过零检测领域，尤其涉及一种电网电压过零点自动检测方法、系统及采样装置。

背景技术

交流电网电压过零检测即指的是在正弦交流电系统中，当电压波形从正半周向负半周转换或负半周向正半周转换经过零位换向时，应用电子电路对该过零点时刻作出的检测。现有的常用检测电路是利用光耦的光电隔离和过零正向导通特性来实现过零信号的检测。

实际应用中，由于电网电压陷波及谐波干扰等背景噪声因素，输入信号在过零点附近甚至非过零点处通常会发生抖动、陷波、波形严重畸变，导致在检测电路中产生多过零现象和实际基波零点和提取的零点误差比较大，严重时会产生误检测。

常见的过零检测电路及缺陷如下：

(1)采用基于同步旋转坐标变换的软件锁相环及其改进技术，实时性强，无需进行过零比较，可以准确获取输入电压基波正序分量频率、幅度和相位等信息，但是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，其快速性和准确性会受到影响，特别是该方法不适用于对单相电网电压进行锁相。此方法硬件电路比较复杂，软件计算量大，对微处理器计算能力及运算速度要求较高，硬件成本和软件开发成本高。

(2)利用光电转换特性，用微处理器检测整形后梯形波信号的前后沿对应时间，计算得出过零时刻，这种方法在过零点附近做正弦波整形，容易出现误动作。对单片机信号处理带来较大的误差，另外单片机必须检测到梯形波的下降沿，才能得到过零点时刻，此时过零点时刻已经是过去时，不能满足某些电路的过零点准确触发的要求。

(3)利用变压器或电压互感器或电阻分压将市电转换为同频同相的低压信号，采用光耦在交流电压接近过零点时产生脉冲，微处理器外部中断产生时刻作为过零点时刻。该电路在外部中断产生的时刻并不是严格零点时刻，误差较大。且光耦导通时间较长，即光耦电流由零变为导通电流这个渐变过程较长，导致光耦特性边缘时间差异明显，实验测试测得两个光耦导通性能差别的最大时间差达到50μs，这为要求较高的设备使用该电路进行同步信号制造很大麻烦。电路包含变压器或电压互感器，增大了设备体积和质量。

发明内容

本发明针对现有的过零点检测电路存在着抗干扰差、电路复杂的缺陷，提出一种基于现有电压检测电路并应用在具有ADC功能的单片机中的具有强抗干扰性的高精度交流电压过零点检测方法。

为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：

一种电压过零点自动检测方法，步骤如下：

步骤1，确定采样波形周期性函数特征；

步骤2，通过单片机对交流电压信号进行采样；

步骤3，对单片机电源基准值进行校准，消除基准偏差；

步骤4，采样至少两个周期，获得若干采样点，标记每个采样点及采样点的平面坐标；

步骤5，将两个相邻采样点平面Y坐标和单片机电源基准值进行比较可以判断出采样点是否是过零点，再对相邻采样点平面XY坐标进行斜率运算判断是正向过零还是反向过零，并以所述过零点平面X坐标和斜率获得过零点数组Zn；以所述过零点数组Zn代表过零点的平面图形意义；

步骤6，依据采样波形的周期性函数特征对正反向电压过零点数组进行判断，排除干扰电压过零点数组；

步骤7，按采样周期顺序分别找出基波电压过零点数组或基波电压过零点处陷波过零点数组或基波电压过零点处谐波过零点数组，以第一个基波电压过零点数组或基波电压过零点处陷波过零点数组或基波电压过零点处谐波过零点数组为计算起始点，计算基波电压过零点数组或基波电压过零点处陷波过零点数组或基波电压过零点处谐波过零点数组之间的周期值，推算下一个周期的基波电压过零点数组或基波电压过零点处陷波过零点数组或基波电压过零点处谐波过零点数组。

步骤7.1：以第一个同向基波电压过零点数组或同向基波电压过零点处陷波过零点数组或同向基波电压过零点处谐波过零点数组为计算起始点，计算第一和第二个采样周期中两两之间同向过零点数组之间的周期值；

步骤7.2：设定允许误差，将计算得到的两个同向周期值进行比对；

步骤7.3：如果在误差范围内两个周期值相同，进入步骤7.4；如果两个周期值不同，进入步骤7.5；

步骤7.4：依此周期推算下个周期的同向基波电压过零点数组或同向基波电压过零点处陷波过零点数组或同向基波电压过零点处谐波过零点数组；

步骤7.5：采用滑差的方法，延续一个采样周期，比较第二和第三个采样周期中两两周期之间同向过零点数组之间的周期值，进入步骤7.3判断。

其中，计算正向过零点数组和反向过零点数组的方法如下：

前序采样值Yn小于基准值，同时后序采样值Yn+1大于或等于基准值时为正向过零；

前序采样值Yn为大于基准值，同时后序采样值Yn+1小于或等于基准值为反向过零；

正反向过零点数组Zn，其包括前序采样值序号Xn，及相应过零斜率值Kn，形成数组Zn{Xn，Kn}，Kn＝{(Yn+1)-Yn}/{(Xn+1)-Xn}，Kn大于零为正向过零，Kn小于零为反向过零。

作为其中一种实施方式，若采样起始点从基波电压正弦波负半周开始，Zn为电压过零点数组，采样周期内包括n个电压反向过零点数组和n+1个电压正向过零点数组，则基波电压正向过零点数组加tn等于下一个基波电压正向过零点数组，基波电压反向过零点数组加fn等于下一个基波电压正向过零点数组；

其中，tn为上一个基波正向过零点数组到下一个基波正向过零点数组的时间周期；fn为上一个基波反向过零点数组到下一个基波反向过零点数组的时间周期。

作为其中一种实施方式，基波电压正弦波叠加陷波后其在采样周期内正向过零点数组和反向过零点数组数量大于基波电压正反向过零点数组数量的，计算过程如下：

a.当采样起始点从负半周向正半周采样时，若Zn电压过零点数组后x个采样点之内有大于等于2个连续电压过零点数组，且所述2个连续电压过零点数组中的K值相反，则Zn为基波电压正弦波正半周过零点处的陷波电压过零点数组；

若Zn电压过零点数组后x个采样点之内没有电压过零点数组，则Zn为基波电压正弦波正半周过零点数组；

b.当采样起始点从正半周向负半周采样时，若Zn电压过零点数组后x个采样点之内有大于等于2个连续电压过零点数组，且K值相反，则判断Zn为基波电压负半周过零点处陷波电压过零点数组；

若Zn电压过零点数组后x个采样点之内没有2个连续电压过零点数组，则判断Zn为基波电压负半周过零点数组；

c.根据步骤a和b，在采样周期内按顺序分别找出所有电压过零点数组或基波电压过零点处陷波电压过零点数组，以第一个基波电压过零点数组或基波电压过零点处陷波电压过零点数组为计算起始点，计算它们之间的周期值推算下个周期基波电压过零点数组或基波电压过零点处陷波电压过零点数组。

作为其中一种实施方式，当采样起始点从负半周向正半周采样时，

若Zn电压过零点数组后在x个采样点之外有大于等于2个连续电压过零点数组，所述2个连续电压过零点数组K值相反，且所述2个电压过零点数组前后x个采样点值都为正值，则所述Zn为非基波电压正弦波正半周过零点处陷波过零点数组。

作为其中一种实施方式，当采样起始点从正半周向负半周采样时，

若Zn电压过零点数组后在x个采样点之外有大于等于2个连续电压过零点数组，所述2个连续电压过零点数组K值相反，且所述2个电压过零点数组前后x个采样点Yn都为负值，则所述Zn为非基波电压正弦波负半周零点处陷波过零点数组。

作为其中一种实施方式，基波电压正弦波叠加谐波后其在采样周期内正向电压过零点数组和反向电压过零点数组数量大于基波电压正弦波正反向数组数量的，

当采样起始点从负半周向正半周采样，若所有电压过零点数组中有一个正向电压过零点数组，此电压过零点数组的至少j个前序采样值为小于电压参考基准值，且至少j个后序采样值大于电压参考基准值，则所述正向电压过零点数组为基波电压正弦波正半周过零点处的谐波过零点数组；

在采样周期内按顺序找出所有基波电压正弦波正半周过零点处的谐波过零点数组，以第一个基波电压正弦波正半周过零点处的谐波过零点数组为计算起始点，计算它们之间的周期值推算下个周期基波电压正弦波正半周过零点处的谐波过零点数组。

其中，上述所述j取值大于：一个周期时间除以叠加的最大谐波数除以采样周期，计算得到数值再除以2的计算所得值。

其中，上述所述x取值大于：过零点陷波产生振荡波形的周期除以采样周期的计算所得值。

其中，本发明检测电压为基波正弦波，所述基波频率为50Hz或60Hz或其他频率的基波正弦波。

一种电压过零点自动检测系统，包括采样单元，根据采样频率进行电压采样，确定采样点；

判断单元，对采样点进行判断，确定过零点数组；对过零点数组进行判断，确定正反向过零点数组；对过零点数组进行判断，确定基波电压过零点数组或基波电压过零点处陷波过零点数组或基波电压过零点处谐波过零点数组；

过零点数组存储单元，用于存储采样点数据、过零点数组数据、正反向过零点数据，以及基波电压过零点数组或基波电压过零点处陷波过零点数组或基波电压过零点处谐波过零点数组；

主控单元，控制所述采样单元，过零点数组存储单元和判断单元的运行。

一种采样装置，交流电压经过交流电压采样电路处理后输入单片机，

交流电压采样电路，包括交流电压输入端和ADC输出端；

带有ADC功能单片机，包括ADC采样IO口；

所述ADC输出端连接ADC采样IO口。

本发明的有益效果：

1、通过单片机采样，实现电压基波过零点的判断，其中采样电路为常用电路，简单可靠，硬件成本低。

2、本发明通过基波电压过零点数组Zn代表过零点的平面图形意义，并对正弦波周期性函数特征进行分析，实现一种可以自动判断基波过零点的方法，在陷波和谐波干扰环境中仍然可以准确找到基波电压过零点。

3、本发明采用单片机采样，采样间隔小于等于20us，所以计算得到的零点时刻精度高，小于等于±20us。

4、本发明采样周期可以按照需求调整，为了提高零点判断准确性，采用判断周期至少为2个周波40ms，最快动作周期为第3个周波60ms。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是50Hz电压采样波形图；

图2是50Hz电压采样波形局部放大图；

图3是50Hz电压叠加陷波采样波形图；

图4是50Hz电压叠加陷波正半周波形图；

图5是图4中采样起始点从负半周向正半周采样的放大图；

图6是图4中采样起始点从正半周向负半周采样的放大图；

图7是50Hz叠加谐波电压采样波形图；

图8是50Hz叠加谐波电压正半周波形图；

图9是采样装置电路原理图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

一种电压过零点自动检测方法，其检测电压为基波正弦波，所述基波频率为50Hz或60Hz或其他频率的基波正弦波。

步骤如下：

步骤1，确定采样波形周期性函数特征；

步骤2，通过单片机对交流电压信号进行采样；

步骤3，对单片机电源基准值进行校准，消除基准偏差；

步骤4，采样至少两个周期，获得若干采样点，标记每个采样点及采样点的平面坐标；

步骤5，将两个相邻采样点平面Y坐标和单片机电源基准值进行比较可以判断出采样点是否是过零点，再对相邻采样点平面XY坐标进行斜率运算判断是正向过零还是反向过零，并以所述过零点平面X坐标和斜率获得过零点数组Zn；以所述过零点数组Zn代表过零点的平面图形意义；

步骤6，依据采样波形的周期性函数特征对正反向电压过零点数组进行判断，排除干扰电压过零点数组，获得基波电压正弦波过零点数组；所述干扰电压过零点数组包括基波电压正弦波叠加陷波后的干扰电压过零点数组和基波电压正弦波叠加谐波后的干扰电压过零点数组；

步骤7，按顺序分别找出至少两个基波电压正弦波周期所有过零点数组或基波电压过零点处陷波过零点数组或基波电压过零点处谐波过零点数组，以第一个基波电压过零点数组或基波电压过零点处陷波过零点数组或基波电压过零点处谐波过零点数组为计算起始点，计算基波电压过零点数组或基波电压过零点处陷波过零点数组或基波电压过零点处谐波过零点数组之间的周期值，推算下一个周期的基波电压过零点数组或基波电压过零点处陷波过零点数组或基波电压过零点处谐波过零点数组。

步骤7.1：以第一个同向基波电压过零点数组或同向基波电压过零点处陷波过零点数组或同向基波电压过零点处谐波过零点数组为计算起始点，计算第一和第二个采样周期中两两之间同向过零点数组之间的周期值；

步骤7.2：设定允许误差，将计算得到的两个同向周期值进行比对；

步骤7.3：如果在误差范围内两个周期值相同，进入步骤7.4；如果两个周期值不同，进入步骤7.5；

步骤7.4：依此周期推算下个周期的同向基波电压过零点数组或同向基波电压过零点处陷波过零点数组或同向基波电压过零点处谐波过零点数组；

步骤7.5：采用滑差的方法，延续一个采样周期，比较第二和第三个采样周期中两两周期之间同向过零点数组之间的周期值，进入步骤7.3判断。

最多滑差比较10个采样周期，找出两个相同的同向基波电压过零点数组周期。否则认为电网波形无法判断。

需要注意的是：基波正弦波和基波正弦波叠加陷波可以采用同向和反向的相邻过零点数组进行判断；基波正弦波叠加谐波的情况下只能采用同向相邻过零点进行判断。具体在实施例中具体介绍。

其中，计算正向过零点数组和反向过零点数组的方法如下：

前序采样值Yn小于基准值，同时后序采样值Yn+1大于或等于基准值时为正向过零；

前序采样值Yn为大于基准值，同时后序采样值Yn+1小于或等于基准值为反向过零；

正反向过零点数组Zn，其包括前序采样值序号Xn，及相应过零斜率值Kn，形成数组Zn{Xn，Kn}，Kn＝{(Yn+1)-Yn}/{(Xn+1)-Xn}，Kn大于零为正向过零，Kn小于零为反向过零。

若采样起始点从基波电压正弦波负半周开始，Zn为电压过零点数组，采样周期内包括n个电压反向过零点数组和n+1个电压正向过零点数组，则基波电压正向过零点数组加tn等于下一个基波电压正向过零点数组，基波电压反向过零点数组加fn等于下一个基波电压正向过零点数组。

其中，tn为上一个基波正向过零点到下一个基波正向过零点的时间周期；fn为上一个基波反向过零点到下一个基波反向过零点的时间周期。

基波电压正弦波叠加陷波后其在采样周期内正向过零点数组和反向过零点数组数量大于基波电压正反向过零点数组数量的，计算过程如下：

a.当采样起始点从负半周向正半周采样时，若Zn电压过零点数组后x个采样点之内有大于等于2个连续电压过零点数组，且所述2个连续电压过零点数组中的K值相反，则Zn为基波电压正弦波正半周过零点处的陷波电压过零点数组；

若Zn电压过零点数组后x个采样点之内没有电压过零点数组，则Zn为基波电压正弦波正半周过零点数组；

b.当采样起始点从正半周向负半周采样时，若Zn电压过零点数组后x个采样点之内有大于等于2个连续电压过零点数组，且K值相反，则判断Zn为基波电压负半周过零点处陷波电压过零点数组；

若Zn电压过零点数组后x个采样点之内没有2个连续电压过零点数组，则判断Zn为基波电压负半周过零点数组；

c.根据步骤a和b，在采样周期内按顺序分别找出所有基波电压过零点数组或基波电压过零点处陷波电压过零点数组，以第一个基波电压过零点数组或基波电压过零点处陷波电压过零点数组为计算起始点，计算它们之间的周期值推算下个周期基波电压过零点数组或基波电压过零点处陷波电压过零点数组。

当采样起始点从负半周向正半周采样时，若Zn电压过零点数组后在x个采样点之外有大于等于2个连续电压过零点数组，所述2个连续电压过零点数组K值相反，且所述2个电压过零点数组前后x个采样点值都为正值，则所述Zn为非基波电压正弦波正半周过零点处陷波过零点数组。

当采样起始点从正半周向负半周采样时，若Zn电压过零点数组后在x个采样点之外有大于等于2个连续电压过零点数组，所述2个连续电压过零点数组K值相反，且所述2个电压过零点数组前后x个采样点Yn都为负值，则所述Zn为非基波电压正弦波负半周零点处陷波过零点数组。

基波电压正弦波叠加谐波后其在采样周期内正向电压过零点数组和反向电压过零点数组数量大于基波电压正弦波正反向数组数量的，当采样起始点从负半周向正半周采样，若所有电压过零点数组中有一个正向电压过零点数组，此电压过零点数组的至少j个前序采样值为小于电压参考基准值，且至少j个后序采样值大于电压参考基准值，则所述正向电压过零点数组为基波电压正弦波正半周过零点处的谐波过零点数组；

在采样周期内按顺序找出所有基波电压正弦波正半周过零点处的谐波过零点数组，以第一个基波电压正弦波正半周过零点处的谐波过零点数组为计算起始点，计算它们之间的周期值推算下个周期基波电压正弦波正半周过零点处的谐波过零点数组。

其中，上述j取值大于：一个周期时间除以叠加的最大谐波数除以采样周期，计算得到数值再除以2的计算所得值。上述x取值大于：过零点陷波产生振荡波形的周期除以采样周期的计算所得值。下面会具体阐j和x的取值计算过程。

以下实施方式用于国网标准电压220v/50Hz(以下简称标准正弦波)，电压过零点的检测。同理可得60Hz电压或其他标准正弦波电压的方法。

一、电网电压受周期性函数类干扰的分析

1.1陷波是指换流装置在换相时会导致电压波形出现下陷波形或缺口波形，是一种周期性函数干扰。

1.2谐波是指由于非线性负荷运行导致电流电压波形畸变产生的波形，是一种周期性的函数干扰。

1.3在正弦交流电系统中，电网的电压波形是一个周期性函数，电网电压陷波或谐波干扰等背景噪声因素由于是负载运行产生的，因此在负载运行期间这些产生的干扰也是一种或几种周期性函数的叠加合成。当几个周期函数叠加以后，其各自的周期不会改变。

1.4我国的低压电网电压是标准频率为50Hz的正弦波，其周期为20ms。无论叠加何种周期性的干扰都不能改变其周期20ms。也就是说在波形上始终有两个过零点的时间差是20ms，或在波形上始终有三个过零点，其前两个和后两个过零点时间差之和为20ms。

1.5当有周期性函数的干扰叠加在标准正弦波波形上，并出现新增过零点时，这个新增零点也是周期性的。

二、单片机ADC采样IO口的特性

2.1当交流信号送入单片机的ADC采样IO口时，IO口的ADC采样频率决定了一个周波最大的采样点数，采样点数越多，采样过零点时间越准确。

2.2当交流信号送入单片机的ADC采样IO口时，IO口的ADC采样位数多少决定了采样电压幅值的最小分辨率即电压的精度。ADC采样位数越高，电压精度越高。

2.3以意法半导体公司的8位单片机STM8S207为例，芯片内部有一个10位连续渐进式模数转换器ADC2，转换时间为14个时钟周期。本发明实施方式采用该单片机。

三、采样点的取值计算

3.1虽然采样点数越多，采样过零点时间越准确。但其采样转换数值在单片机缓存的空间占用就越多，会影响单片机的程序运行时间，所以需要根据应用的需要计算出合理的采样点数。

3.2本申请中电网电压过零点自动检测方法，需要确定采样波形具备50Hz周期性函数的特征，所以需要40ms的采样时间确定下个周期电压过零点的具体时刻。

3.3本电网电压过零点自动检测方法，允许叠加的最大谐波为51次，以此为计算依据叠加频率为2550Hz，其周期时间为1/2550＝392us。根据采样定理，“在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率fs.max大于信号中最高频率fmax的2倍时(fs.max>2fmax)，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的2.56～4倍；采样定理又称奈奎斯特定理”。采样间隔只要小于150us即可满足51次谐波采样的要求。为了兼顾陷波最小脉冲宽度55.6us的采样，提高电压过零点的精度，本发明实施方式将采样间隔要求小于等于20us，则51次谐波一个周期采样点至少为20个，则50Hz周波总采样点至少为1020个。

3.4本电网电压过零点自动检测方法允许叠加的陷波脉冲宽度最小为55.6us。由于陷波是由于电力电子器件在换相时产生的，最小换相时间一般为电力电子器件1度导通角时间，即20ms/360＝55.6us。电压过零点陷波产生振荡波形的周期一般是导通时间5～6倍，即6*55.6us＝333.6us，333.6us/20us＝17个采样点，一般选取20个采样点作为判断过零点周期。

3.5因为采样间隔为20us，故本发明实施方式电压过零点计算精度为±20us。

3.6以过零点数组Zn代表过零点的平面图形意义。

实施例1：如图1是标准50Hz电压采样波形图，波形过零点处有前后采样点。如图2所示为波形过零点处有前后采样点放大图，采样序号Xn，Xn+1；

实施例1用于计算以下情况下的过零点：基波电压正弦波过零点；基波电压正弦波叠加陷波后其在采样周期内正向过零点和反向过零点数量与基波正弦波相同的；基波正弦波叠加谐波后其在采样周期内正向过零点和反向过零点数量与基波正弦波相同。

步骤1：依据图9采样电路可知，交流电压经过交流电压采样电路处理后输入单片机，交流电压采样电路，包括交流电压输入端和ADC输出端；带有ADC功能单片机，包括ADC采样IO口。所述ADC输出端连接ADC采样IO口。由于采样电路形式多种多样而且在本领域中多为常用技术，在此不赘述。

单片机ADC采样通道采集的交流信号会以+2.5V电压为0轴，在0V-+5V电压之间波动。即+2.5V-+5V为交流信号正半周波形区间，0-+2.5V为交流信号负半周波形区间。

步骤2：依据STM8单片机公开资料可知，采样通道IO口是10位ADC即采样精度为5V/(1024-1)＝0.05V。

步骤3：对于单片机ADC采样通道的交流波形，通过程序控制在20ms周期内采集1024个点，即采样点时间间隔为20000/(1024-1)＝19.55us，总共采集3个周期60ms。

步骤4：单片机对+2.5V电源基准值进行校准，消除基准偏差。

步骤5：单片机依据实时出现的电压波形采样数值进行过零点序号标记和分类判断：

(1)单片机做3个周期的采样，即有1024*3＝3072个采样点，给每个采样点序号标记并标记采样点的平面坐标Xn和Yn。

(2)对于每个采样点数值都进行大于、等于和小于+2.5V的判断。

(3)电压采样正反向过零点图形如图2所示：前序采样值记为Yn，后序采样值记为Yn+1，正反向电压过零点数组记Zn。当出现正向过零，即前序采样值Yn小于2.5V而后序采样值Yn+1大于或等于2.5V时；或出现反向过零，即前序采样值Yn大于2.5V而后序采样值Yn+1小于或等于2.5V时，记录前序采样值序号Xn，及相应过零斜率值Kn，形成数组Zn{Xn，Kn}。

(4)Kn＝(Yn+1)-Yn，Kn大于零为正向过零，Kn小于零为反向过零。

(5)依次计算3072个采样点标记出正反向电压过零点数组。

步骤6：对于基波电压正弦波电压采样过零点的方法如下

(1)周期示意图如图1：

T1～T3；按顺序上一个正向过零点到下一个反向过零点的时间周期；

F1～F3；按顺序上一个反向过零点到下一个正向过零点的时间周期；

t1～t3；按顺序上一个正向过零点到下一个正向过零点的时间周期；

f1～f3；按顺序上一个反向过零点到下一个反向过零点的时间周期。

由于50Hz基波正弦波是20ms的周期函数，无谐波等干扰叠加时：

T1＝T2＝T3＝F1＝F2＝F3＝10ms；t1＝t2＝t3＝tn＝f1＝f2＝f3＝20ms。

有谐波叠加或陷波干扰叠加时，不会改变50Hz基波正弦波的周期：

T1＝T2＝T3，F1＝F2＝F3；T1≠F1；T2≠F2；T3≠F3；T1+F1＝T2+F2＝T3+F3＝20ms。

(2)对于基波电压正弦波波形通过程序控制采样3个周期时，过零点数组Z1-Z5，由于采样起始点是随机的，所以，起始点既可能从正半周也可能从负半周开始采样，所以采样获得的第一个电压过零点数组既可能是正向也可能是反向。

(3)如果采样起始点从负半周开始，则电压过零点数组顺序从Z1开始到Z5，经历两个正弦波周期，包含Z1、Z3、Z5三个正向电压过零点数组和Z2、Z4两个反向电压过零点数组。如果t1＝t2约等于20ms，则第三个周期的正向电压过零点数组Z7的时间为Z5时间加t1。

(4)如果采样起始点从正半周开始，则电压过零点数组顺序从Z2开始到Z6，经历两个正弦波周期，包含Z2、Z4、Z6三个反向电压过零点数组和Z3、Z5两个正向电压过零点数组。如果f1＝f2约等于20ms，则第三个周期的反向电压过零点数组Z8的时间为Z6时间加f1。

实施例2：

实施例2和实施例1步骤1-步骤5方法相同，改变步骤6。

如图3为50Hz基波电压正弦波叠加陷波后三个周期的波形图。

t1～t3：按顺序上一个基波电压正弦波正半周过零点或基波电压正弦波正半周过零点处陷波过零点到下一个基波电压正弦波正半周过零点或基波电压正弦波正半周过零点处陷波过零点的时间周期。

f1～f3：按顺序上一个基波电压正弦波负半周过零点或基波电压正弦波负半周过零点处陷波过零点到下一个基波电压正弦波负半周过零点或基波电压正弦波负半周过零点处陷波过零点的时间周期。

由于基波电压正弦波是20ms的周期函数，有陷波干扰叠加时，不会改变50Hz基波正弦波的周期，即：T1＝T2＝T3，F1＝F2＝F3。

依据上述规律，可以得到以下计算方法：

如图4：50Hz基波电压电压叠加陷波正半周波形图。

陷波图形会增加正反向电压过零点数组数量，所以无法通过实施例1的方式计算。

1、如图4和图5，当采样起始点从负半周向正半周采样时，Z1电压过零点数组为正向电压过零点数组，Z2电压过零点数组为反向电压过零点数组，Z3电压过零点数组为正向电压过零点数组。判断Z1-Z3有以下三种情况：

(a)如果Z1电压过零点数组后20个采样点之内有大于等于2个连续电压过零点数组Z2、Z3，且K值相反，则可以认为Z1是50Hz基波电压正半周过零点处的陷波电压过零点数组。

(b)如果Z1电压过零点数组后20个采样点之内没有Z2、Z3电压过零点数组，则Z1为50Hz基波电压正半周电压过零点数组，如Z1电压过零点数组后在20个采样点之外有大于等于2个连续电压过零点数组Z4、Z5，且K值相反，则需要判断是否为非50Hz基波电压正半周过零点处的陷波电压过零点数组。

(c)非50Hz基波电压正半周过零点处的陷波电压过零点数组需要确认两个条件：一是有大于等于2个电压过零点数组且K值相反(如Z4、Z5)，二是电压过零点数组(如Z4、Z5)前后20个采样点Yn都为正值。由此可以判定Z4、Z5为非50Hz基波电压正半周过零点处的陷波电压过零点数组。

二、如图6：50Hz基波电压叠加陷波负半周波形图。

如果采样起始点从正半周向负半周采样时，Z6电压过零点数组为反向电压过零点数组，Z7电压过零点数组为正向电压过零点数组，Z8电压过零点数组为反向电压过零点数组。

(a)如果Z6电压过零点数组后20个采样点之内有大于等于2个连续电压过零点数组Z7、Z8，且K值相反，则判定Z6是50Hz基波电压负半周过零点处的陷波电压过零点数组。

(b)如果Z6电压过零点数组后20个采样点之内没有Z7、Z8电压过零点数组，则Z6为50Hz基波电压负半周电压过零点数组，如Z6电压过零点数组后20个采样点之外有大于等于2个连续电压过零点数组Z9、Z10，且K值相反，则需要判断是否为Z9、Z10是否为非50Hz基波电压负半周过零点处的陷波电压过零点数组。

(c)非50Hz基波电压负半周过零点处的陷波电压过零点数组需要确认两个条件：一是有大于等于2个电压过零点数组且K值相反，如图中Z9、Z10数组，二是电压过零点数组(如Z9、Z10)前后20个采样点Yn都为负值。

由此判断Z9、Z10数组为非50Hz基波电压负半周零点处陷波电压过零点数组。

(6)综上所述，无论采样起始点从哪里开始，在60ms周期内按顺序分别找出所有50Hz基波电压正半周电压过零点数组或50Hz基波电压正半周过零点处的陷波电压过零点数组，以第一个50Hz基波电压正半周电压过零点数组或50Hz基波电压正半周过零点处的陷波电压过零点数组为计算起始点，计算它们之间的周期值推算下次50Hz基波电压正半周电压过零点数组或50Hz基波电压正半周过零点处的陷波电压过零点数组。

同理可以在60ms周期内按顺序分别找出所有50Hz基波电压负半周电压过零点数组或50Hz基波电压负半周过零点处的陷波电压过零点数组。然后以第一个50Hz基波电压负半周电压过零点数组或50Hz基波电压负半周过零点处的陷波电压过零点数组为计算起始点并计算它们之间的周期值推算下次50Hz基波电压负半周电压过零点数组或50Hz基波电压负半周过零点处陷波电压过零点数组。

实施例3：

如图7是50Hz基波电压正弦波叠加谐波后三个周期波形图，并标出了过零采样点。

当50Hz基波电压正弦波叠加谐波后其在采样周期内正向电压过零点数组和反向电压过零点数组数量与基波电压正弦波相同的采用实施例1方法进行计算。

本实施例用于计算50Hz基波电压正弦波叠加谐波后其在采样周期内正向电压过零点数组和反向电压过零点数组数量大于基波电压正弦波的情况。

t1～t3：按顺序上一个50Hz基波电压正半周过零点处谐波过零点到下一个50Hz基波电压正半周过零点处谐波过零点的时间周期。

由于50Hz基波电压正弦波是20ms的周期函数，有谐波干扰叠加时，不会改变50Hz基波电压的周期，即t1＝t2＝t3。

依据上述原理，本实施例的计算方法如下：

如图8所示：50Hz基波电压正弦波叠加谐波正半周波形图放大图。

在图中有采样点若干，当在50Hz基波电压正弦波过零点附近有叠加谐波情况，我们需要把过零点处的谐波电压过零点数组找出来，采样值序号Xn，过零斜率值Kn，记Z1{Xn，Kn}；Z2{Xn+2，Kn+1}；Z3{Xn+4，Kn+2}；Z4{Xn+6，Kn+3}；Z5{Xn+8，Kn+4}；Z6{Xn+10，Kn+5}；Z7{Xn+12，Kn+6}；Z8{Xn+14，Kn+7}。

(1)如果采样起始点从负半周向正半周采样：Z1电压过零点数组为正向电压过零点数组，Z2电压过零点数组为反向电压过零点数组，Z3电压过零点数组为正向电压过零点数组，Z4为反向电压过零点数组，Z5电压过零点数组为正向电压过零点数组。

由于无论叠加奇次还是偶次谐波，50Hz基波电压正半周过零点处的谐波电压过零点数组都是正向电压过零点数组。所以如果Z1-Z5中有一个正向电压过零点数组，如Z3，则在此电压过零点数组的至少10个前序采样值Yn为小于2.5V，而至少10个后序采样值Yn为大于2.5V，则判定Z3是50Hz基波电压正半周过零点处的谐波电压过零点数组。

如果采样起始点从正半周向负半周采样，Z7是50Hz基波电压负半周过零点处的谐波电压过零点数组。由于叠加奇次谐波时50Hz基波电压负半周过零点处的谐波电压过零点数组是反向电压过零点数组，叠加偶次谐波时50Hz基波电压负半周过零点处的谐波电压过零点数组是正向电压过零点数组，所以这种情况不做判断。

(3)无论采样起始点从哪里开始，通过上述方式在60ms周期内按顺序找出所有50Hz基波电压正半周过零点处的谐波电压过零点数组，然后以第一个50Hz基波电压正半周过零点处的谐波电压过零点数组为计算起始点，计算它们之间的周期值推算下次50Hz基波电压正半周过零点处的谐波电压过零点数组。

实施例4：基波电压过零点自动检测系统，其特征在于，

包括采样单元，根据采样频率进行电压采样，确定采样点；

判断单元，对采样点进行判断，确定过零点数组；对过零点数组进行判断，确定正反向过零点数组；对过零点数组进行判断，确定基波电压过零点数组或基波电压过零点处陷波过零点数组或基波电压过零点处谐波过零点数组；

过零点数组存储单元，用于存储采样点数据、过零点数组数据、正反向过零点数据，以及基波电压过零点数组或基波电压过零点处陷波过零点数组或基波电压过零点处谐波过零点数组；

主控单元，控制所述采样单元，过零点数组存储单元和判断单元的运行。

需要说明的是：实施例1-实施例3中出现的Zn、Yn、Xn、Tn、Fn、tn、fn等值在不同的实施例中含义相同，但具体参数需要分开对待，即实施例2中的Z1和实施例3中的Z1虽然都表示为电压过零点数组，但是具体的实施例2中的Z1表示叠加陷波后的电压过零点数组，实施例3中的Z1表示叠加谐波后的电压过零点数组，同理理解其他参数。不同实施例中参数不可混淆对待。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种基波电压过零点自动检测方法，其特征在于步骤如下：

步骤1，确定采样波形周期性函数特征；

步骤2，通过单片机对交流电压信号进行采样；

步骤3，对单片机电源基准值进行校准，消除基准偏差；

步骤4，采样至少两个周期，获得若干采样点，标记每个采样点及采样点的平面坐标；

步骤5，将两个相邻采样点平面Y坐标和单片机电源基准值进行比较可以判断出采样点是否是过零点，再对相邻采样点平面XY坐标进行斜率运算判断是正向过零还是反向过零，并以所述过零点平面X坐标和斜率获得过零点数组Zn；以所述过零点数组Zn代表过零点的平面图形意义；

步骤6，依据采样波形的周期性函数特征对正反向电压过零点数组进行判断，排除干扰电压过零点数组；

步骤7，按采样周期顺序分别找出基波电压过零点数组或基波电压过零点处陷波过零点数组或基波电压过零点处谐波过零点数组，以第一个基波电压过零点数组或基波电压过零点处陷波过零点数组或基波电压过零点处谐波过零点数组为计算起始点，计算基波电压过零点数组或基波电压过零点处陷波过零点数组或基波电压过零点处谐波过零点数组之间的周期值，推算下一个周期的基波电压过零点数组或基波电压过零点处陷波过零点数组或基波电压过零点处谐波过零点数组。

2.根据权利要求1所述的基波电压过零点自动检测方法，其特征在于，

步骤7.1：以第一个同向基波电压过零点数组或同向基波电压过零点处陷波过零点数组或同向基波电压过零点处谐波过零点数组为计算起始点，计算第一和第二个采样周期中两两之间同向过零点数组之间的周期值；

步骤7.2：设定允许误差，将计算得到的两个同向周期值进行比对；

步骤7.3：如果在误差范围内两个周期值相同，进入步骤7.4；如果两个周期值不同，进入步骤7.5；

步骤7.4：依此周期推算下个周期的同向基波电压过零点数组或同向基波电压过零点处陷波过零点数组或同向基波电压过零点处谐波过零点数组；

步骤7.5：采用滑差的方法，延续一个采样周期，比较第二和第三个采样周期中两两周期之间同向过零点数组之间的周期值，进入步骤7.3判断。

3.根据权利要求1所述的基波电压过零点自动检测方法，其特征在于，计算正向过零点数组和反向过零点数组的方法如下：

前序采样值Yn小于基准值，同时后序采样值Yn+1大于或等于基准值时为正向过零；

前序采样值Yn为大于基准值，同时后序采样值Yn+1小于或等于基准值为反向过零；

正反向过零点数组Zn，其包括前序采样值序号Xn，及相应过零斜率值Kn，形成数组Zn{Xn，Kn}，Kn＝{(Yn+1)-Yn}/{(Xn+1)-Xn}，Kn大于零为正向过零，Kn小于零为反向过零。

4.根据权利要求1或2或3所述的基波电压过零点自动检测方法，其特征在于，若采样起始点从基波电压正弦波负半周开始，Zn为电压过零点数组，采样周期内包括n个电压反向过零点数组和n+1个电压正向过零点数组，则基波电压正向过零点数组加tn等于下一个基波电压正向过零点数组，基波电压反向过零点数组加fn等于下一个基波电压正向过零点数组；

其中，tn为上一个基波正向过零点数组到下一个基波正向过零点数组的时间周期；fn为上一个基波反向过零点数组到下一个基波反向过零点数组的时间周期。

5.根据权利要求1或2或3所述的基波电压过零点自动检测方法，其特征在于，基波电压正弦波叠加陷波后其在采样周期内正向过零点数组和反向过零点数组数量大于基波电压正反向过零点数组数量的，计算过程如下：

a.当采样起始点从负半周向正半周采样时，若Zn电压过零点数组后x个采样点之内有大于等于2个连续电压过零点数组，且所述2个连续电压过零点数组中的K值相反，则Zn为基波电压正弦波正半周过零点处的陷波电压过零点数组；

若Zn电压过零点数组后x个采样点之内没有电压过零点数组，则Zn为基波电压正弦波正半周过零点数组；

b.当采样起始点从正半周向负半周采样时，若Zn电压过零点数组后x个采样点之内有大于等于2个连续电压过零点数组，且K值相反，则判断Zn为基波电压负半周过零点处陷波电压过零点数组；

若Zn电压过零点数组后x个采样点之内没有2个连续电压过零点数组，则判断Zn为基波电压负半周过零点数组；

c.根据步骤a和b，在采样周期内按顺序分别找出所有电压过零点数组或基波电压过零点处陷波电压过零点数组，以第一个基波电压过零点数组或基波电压过零点处陷波电压过零点数组为计算起始点，计算它们之间的周期值推算下个周期基波电压过零点数组或基波电压过零点处陷波电压过零点数组。

6.根据权利要求1或2或3所述的基波电压过零点自动检测方法，其特征在于，当采样起始点从负半周向正半周采样时：

若Zn电压过零点数组后在x个采样点之外有大于等于2个连续电压过零点数组，所述2个连续电压过零点数组K值相反，且所述2个电压过零点数组前后x个采样点值都为正值，则所述Zn为非基波电压正弦波正半周过零点处陷波过零点数组。

7.根据权利要求3所述的基波电压过零点自动检测方法，其特征在于，当采样起始点从正半周向负半周采样时：

若Zn电压过零点数组后在x个采样点之外有大于等于2个连续电压过零点数组，所述2个连续电压过零点数组K值相反，且所述2个电压过零点数组前后x个采样点Yn都为负值，则所述Zn为非基波电压正弦波负半周零点处陷波过零点数组。

8.根据权利要求1或2或3所述的基波电压过零点自动检测方法，其特征在于，基波电压正弦波叠加谐波后其在采样周期内正向电压过零点数组和反向电压过零点数组数量大于基波电压正弦波正反向数组数量的：

当采样起始点从负半周向正半周采样，若所有电压过零点数组中有一个正向电压过零点数组，此电压过零点数组的至少j个前序采样值为小于电压参考基准值，且至少j个后序采样值大于电压参考基准值，则所述正向电压过零点数组为基波电压正弦波正半周过零点处的谐波过零点数组；

在采样周期内按顺序找出所有基波电压正弦波正半周过零点处的谐波过零点数组，以第一个基波电压正弦波正半周过零点处的谐波过零点数组为计算起始点，计算它们之间的周期值推算下个周期基波电压正弦波正半周过零点处的谐波过零点数组。

9.根据权利要求8所述的基波电压过零点自动检测方法，其特征在于，所述j取值大于：一个周期时间除以叠加的最大谐波数除以采样周期，计算得到数值再除以2的计算所得值。

10.根据权利要求5所述的基波电压过零点自动检测方法，其特征在于，所述x取值大于：过零点陷波产生振荡波形的周期除以采样周期的计算所得值。

11.根据权利要求1-10所述的基波电压过零点自动检测系统，其特征在于，

包括采样单元，根据采样频率进行电压采样，确定采样点；

判断单元，对采样点进行判断，确定过零点数组；对过零点数组进行判断，确定正反向过零点数组；对过零点数组进行判断，确定基波电压过零点数组或基波电压过零点处陷波过零点数组或基波电压过零点处谐波过零点数组；

过零点数组存储单元，用于存储采样点数据、过零点数组数据、正反向过零点数据，以及基波电压过零点数组或基波电压过零点处陷波过零点数组或基波电压过零点处谐波过零点数组；

主控单元，控制所述采样单元，过零点数组存储单元和判断单元的运行。

12.一种采样装置，交流电压经过交流电压采样电路处理后输入单片机，

交流电压采样电路，包括交流电压输入端和ADC输出端；

带有ADC功能单片机，包括ADC采样IO口；

所述ADC输出端连接ADC采样IO口。

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