CN111781417A - 过零检测电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及过零检测技术，具体涉及一种过零检测方法及电路，能够极大地提高检测的过零点的准确度，抗干扰能力强，能够极大地减少空调器使用PG电机时，交流电源在过零点附近受到外界干扰的问题，从而准确地实现空调的风速调节，保证电机运转中的平稳性。方案为，对准方波信号的第N个上升沿进行采样取值，加上过零检测电路中的固定延迟时间，得到输入交流信号的第2N‑1个过零点，N为大于等于1的整数；在第2N‑1个过零点时刻，加上半个准方波周期，得到第2N个过零点。适用于过零检测电路。

Description

过零检测电路及方法
技术领域
本发明涉及过零检测技术，具体涉及一种过零检测电路及方法。
背景技术
空调上使用的风扇电机，针对实际情况，需要调节转速。调节转速的电机有三种：其中，交流电机两种，直流电机一种。
交流电机的调速通常采用抽头方式和PG(PulseGenerator)电机的可控硅调压方式。目前，空调上交流电机的调速，绝大部分使用PG电机。
室内风机采用PG交流电机调速。一方面能够实现转速的无级调节，用户的舒适性好。另一方面控制简单，成本较低，可靠性较高。因此，空调上采用PG交流电机实现转速的无级调节，相比另外两种方式，性价比优势突兀，已大量运用。它的调速原理，通过检测输入到电机的交流电源的过零点，采用可控硅调压方式，调节交流电压的导通角大小，实现交流电压有效值大小调节，从而调节风扇风机的转速。为了保证所调电压大小满足转速要求，则必须准确检出交流电源的过零点信号。过零点信号是由过零检测电路来实现。
现在使用的过零检测电路，均是采用全波整流方式的全硬件方式。原理是将输入的正弦波交流信号，经过全波整流后，直接检测交流电压在过零点附近的电压值，当输入交流电压峰直低于一定值时(一般是小于10-15V峰值时)，输出一个脉冲信号，其脉冲信号的上升沿，就是输入交流电源的过零，属于纯硬件检测方式。该方式在实际运用中，若电网中的干扰大，干扰信号(峰值大于15V)正好加在交流电压的过零点附近，导致检测电路不能正确检出交流电源的过零点。此时，采用PG电机的调速方式，就不能准确实现调速，并且出现电机运转不平稳的质量问题。因此，交流电源的过零点能否准确检测，对PG电机的调速能否达到精准调节，以及电机在运转中是否平稳运行，至关重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种过零检测电路及方法，能够极大地提高检测的过零点的准确度，抗干扰能力强，能够极大地减少空调器使用PG电机时，交流电源在过零点附近受到外界干扰的问题，从而准确地实现空调的风速调节，保证电机运转中的平稳性。
本发明采取如下技术方案实现上述目的，过零检测电路，包括半波整流电路单元、光耦隔离电路单元以及整形滤波电路单元，所述半波整流电路单元与光耦隔离电路单元连接，光耦隔离电路单元与整形滤波电路单元连接，所述半波整流电路单元采用半波整流的方式对输入电流进行处理。
进一步的是，为了优化半波整流电路单元，所述半波整流电路单元包括第一二极管VD1、第一电阻R1以及第二二极管VD2，所述第一二极管VD1的阳极与外部交流电源的火线端连接，第一二极管VD1的阴极与第一电阻R1的一端连接，第一电阻R1的另一端分别与第二二极管VD2的阴极以及光耦隔离电路单元连接，第二二极管VD2的阳极与外部交流电源的零线端连接。
进一步的是，为了优化光耦隔离电路单元，所述光耦隔离电路单元包括光耦D1、第二电阻R2以及电源VCC，所述光耦D1的阳极与半波整流电路单元连接，光耦D1的阴极与外部交流电源的零线端连接，光耦D1的发射极分别与第二电阻R2的一端以及整形滤波电路单元连接，第二电阻R2的另一端电源VCC连接，光耦D1的集电极与整形滤波电路单元连接。
进一步的是，为了优化整形滤波电路单元，所述整形滤波电路单元包括第一电容C1、第二电容C2以及第三电阻R3，所述第一电容C1以及第二电容C2分别连接在光耦D1的发射极与集电极之间，第三电阻R3的一端与光耦D1的发射极连接，另一端与输出端连接。
进一步的是，为了提高光耦性能，所述光耦D1为TLP521或PC817。
过零检测方法，应用于上述所述的过零检测电路，包括：
步骤(1)、对准方波信号的第N个上升沿进行采样取值，加上过零检测电路中的固定延迟时间，得到输入交流信号的第2N-1个过零点，N为大于等于1的整数；
步骤(2)、在第2N-1个过零点时刻，加上半个准方波周期，得到第2N个过零点。
进一步的是，所述固定延迟时间由过零检测电路的器件参数选择、电路结构方式决定。
进一步的是，所述半个准方波周期为：在采样准方波信号中，临近两个上升沿时间间隔大小，即为准方波的一个周期时间，准方波的一个周期时间的一半即为半个准方波周期。
本发明过零检测电路采用半波整流方式，对准方波信号的第N个上升沿进行采样取值，加上过零检测电路中的固定延迟时间，得到输入交流信号的第2N-1个过零点，N为大于等于1的整数；在第2N-1个过零点时刻，加上半个准方波周期，得到第2N个过零点；在计算中加入了过零检测电路中的固定延迟时间与半个准方波周期，采用硬件电路和软件方法相结合的形式，不但抗干扰强，而且检测的过零点准确度高，能够极大地减少空调器使用PG电机时，若交流电源在过零点附近受到外界干扰的问题，从而准确地实现空调的风速调节，保证电机运转中的平稳性。
附图说明
图1是本发明过零检测方法的方法流程图。
图2是本发明过零检测电路的电路结构原理图。
图3是本发明半波整流过零检测波形时序图。
附图中，VD1为第一二极管，VD2为第二二极管，D1为光耦，R1为第一电阻，R2为第二电阻，R3为第三电阻，C1为第一电容，C2为第二电容，L为外部交流电源火线端，N为外部交流电源零线端，VCC为电源，Q1为测量输入波形的位置，Q2为测量输出波形的位置，N1为Q2波形的上升沿在X轴上的开始点，N2为Q4交流信号的第一个过零点，N3为Q4交流信号的第二个过零点，△W1是一个固定延迟时间常数，△W2为半个准方波周期。
具体实施方式
本发明过零检测电路，其电路结构原理图如图2，包括半波整流电路单元、光耦隔离电路单元以及整形滤波电路单元，所述半波整流电路单元与光耦隔离电路单元连接，光耦隔离电路单元与整形滤波电路单元连接，所述半波整流电路单元采用半波整流的方式对输入电流进行处理。
其中采用半波整流方式得到的过零点，是结合了硬件检测电路与软件算法，检测的过零点更准确。通过半波整流，得到的准方波，采样准方波信号的一系列参数值，采用软件算法，才能得到交流信号的过零点，它比全波整流直接提取过零点，系全硬件方式，过零点更精确一些。因为，半波整流方式得到的准方波信号，需要软件计算和参数补偿优化，能够精准地反应输入信号的真实过零点。全波方式是检测交流电压低于一定值，进行过零点判断，低于一定值是一个范围，不是一个点，因此，判断的过零点是一个区间，不够准确。
为了优化半波整流电路单元，所述半波整流电路单元包括第一二极管VD1、第一电阻R1以及第二二极管VD2，所述第一二极管VD1的阳极与外部交流电源的火线端连接，第一二极管VD1的阴极与第一电阻R1的一端连接，第一电阻R1的另一端分别与第二二极管VD2的阴极以及光耦隔离电路单元连接，第二二极管VD2的阳极与外部交流电源的零线端连接。
为了优化光耦隔离电路单元，所述光耦隔离电路单元包括光耦D1、第二电阻R2以及电源VCC，所述光耦D1的阳极与半波整流电路单元连接，光耦D1的阴极与外部交流电源的零线端连接，光耦D1的发射极分别与第二电阻R2的一端以及整形滤波电路单元连接，第二电阻R2的另一端电源VCC连接，光耦D1的集电极与整形滤波电路单元连接。
其中采用光电耦合器实现强电输入端与弱电输出端隔离，在提高安全性的同时，电路的抗干扰能力更强。因为光电耦合器是电流驱动型，而且设计工作在饱和导通的开关状态，小信号的干扰信号，不能驱动光电耦合器饱和导通，这样将有效滤除部分干扰信号。
为了为了优化整形滤波电路单元，所述整形滤波电路单元包括第一电容C1、第二电容C2以及第三电阻R3，所述第一电容C1以及第二电容C2分别连接在光耦D1的发射极与集电极之间，第三电阻R3的一端与光耦D1的发射极连接，另一端与输出端连接。
其中，为了提高光耦性能，所述光耦D1可采用TLP521或PC817。
在一个实施例中，二极管VD1选择常用的高压整流二极管，电流大于1A，反向耐压大于600V，如选用常用型号1N4007，电阻R1是大功率降压电阻，功率大于3W，阻值在50K左右，如选用常用型号RY21-3W-56KJ，二极管VD2选择开关管，要求开关速度快，反向耐压大于50V，如选用常用的开关二极管1N4148，光电耦合器D1需选择低速光电耦合器，隔离电压大于4000V以上，传输比在100％-300％。如选用常用的TLP521或PC817，电阻R2、R3选择贴片电阻，功率≥0.1W，阻值分别为4.7KΩ和1KΩ，电容C1、C2选择瓷介电容，耐压大于50V，容量在1000P左右。
本发明过零检测方法，应用于上述所述过零检测电路，其方法流程图如图1，包括以下步骤：
步骤101：对准方波信号的第N个上升沿进行采样取值，加上过零检测电路中的固定延迟时间，得到输入交流信号的第2N-1个过零点，N为大于等于1的整数；
步骤102：在第2N-1个过零点时刻，加上半个准方波周期，得到第2N个过零点。
步骤101中，固定延迟时间由过零检测电路的器件参数选择、电路结构方式决定，一旦过零检测电路结构和器件参数选型固定，固定延迟时间就是一个常数。
步骤102中，半个准方波周期为：在采样准方波信号中，临近两个上升沿时间间隔大小，即为准方波的一个周期时间，准方波的一个周期时间的一半即为半个准方波周期。
其中准方波信号是交流输入电源的真实波形经过半波整流得到，抗干扰能力比全波整流方式中直接提取过零点，抗干扰能力更强。因为半波整流时，叠加在交流电源上的干扰信号，如220V上叠加20V的干扰信号时，经过串联电阻降压限流后，所有信号衰减100倍以后，交流电源信号为2.2V，可以驱动光电耦合器导通，输出端产生准方波信号。但这时的干扰信号已衰减到0.2V，不能驱动光电耦合器工作，这样，准方波信号中已有效地滤除了输入电源上叠加有20V左右的干扰。若使用全波整流方式，过零信号是采样交流电压在过零点附近的电压值，当交流电压低于一定值时(一般是小于10-15V峰值时)，电路输出一个脉冲信号，实现过零的检测。若电网中的干扰大，干扰信号(峰值大于15V)正好加在交流电压的过零点附近时，采用全波整流方式将导致不能正确检出交流电源的过零点。
本发明电路工作原理为：220V、50Hz的正弦波交流电压加到电路的输入侧。其中，交流电源的相线220V-L接二极管VD1的阳极，交流电源的零线220V-N接光电耦合器D1输入测的阴极。当输入的交流电源为正半周时，整流二极管VD1导通，交流正半周信号通过减压和限流电阻R1后，加到光电耦合器D1的输入端，当半波电压的峰值大于D1输入电压的导通电压时，D1的输入端导通，D1的输出端也导通，电路的输出端Q2就是低电平。当输入的交流电源为负半周时，整流二极管VD1截止，光电耦合器D1截止，电路的输出端Q2就是高电平。因D2选用的型号是低速开关型，设计在开关状态，因此，该电路的输出波形为准方波。电路中的输入电压Q1和输出电压Q2点对应的波形见图三。
电路的输入波形是交流的220V，50Hz的正弦波。Q1的波形是输入波形经过VD1半波整流后，得到的波形。该半波信号，加在光电耦合器D1的输入端，当加载在D1输入端的电压＞D1的导通电压时，D1导通，D1输出端集电极接地，输出低电平。反之，集电极输出高电平，经过R2、C1、R3、C2滤波整形后，形成输出波形Q2。Q2波形不是真正输入交流电源的过零信号，而是一个接近方波的准方波波形，需要计算才能得到过零点信号。
交流输入电源过零点的计算：
交流电源的过零点，就是一个正弦波周期中正半周的结束点(或开始点)与负半周的开始点(或结束点)交叉的点。因半波整流电路中整流二极管VD1，光电耦合器D1都需要一定的电压差才能可靠导通。因此，虽然输入交流信号的正半周和负半周时间相等，但输出的波形就不是占空比为50％的标准方波了，我们称为准方波。准方波中，它的上升沿(或下降沿)就不是输入正弦波的过零点了。我们要对电路中的准方波的上升沿适当延迟，才能得到真实的正弦波的过零信号。
图3中的Q4波形，它的上升沿就是输入交流电源的过零点。Q4上升沿是由Q2的上升沿时刻，加上固定的延迟时间和Q2的周期T，计算得到。计算步骤如下：
⑴、设Q2波形的上升沿在X轴上的开始点是N1，N2是Q4交流信号的第一个过零点，N2＝N1+△W1。其中，△W1是一个固定延迟时间常数，它由电路中器件参数选择和电路结构决定。一旦电路结构和参数固定，△W1就是个常数。
⑵、N3是Q4交流信号的第二个过零点，N3＝N2+△W2
⑶、设准方波信号的周期时间为T，则△W2＝0.5T
⑷、由上述关系式推出：N3＝N1+△W1+0.5T
⑸、Q4波形的第三个过零点的计算同N2它是采样准方波信号的第二个上升沿，加延迟时间△W1),交流信号的第N4个过零点的计算同N3。后续的过零点N5,N6....，以此类推计算。
综上所述，本发明能够极大地提高检测的过零点的准确度，抗干扰能力强，能够极大地减少空调器使用PG电机时，交流电源在过零点附近受到外界干扰的问题，从而准确地实现空调的风速调节，保证电机运转中的平稳性。

Claims (8)

1.过零检测电路，其特征在于：包括半波整流电路单元、光耦隔离电路单元以及整形滤波电路单元，所述半波整流电路单元与光耦隔离电路单元连接，光耦隔离电路单元与整形滤波电路单元连接，所述半波整流电路单元采用半波整流的方式对输入电流进行处理。
2.根据权利要求1所述的过零检测电路，其特征在于，所述半波整流电路单元包括第一二极管(VD1)、第一电阻(R1)以及第二二极管(VD2)，所述第一二极管(VD1)的阳极与外部交流电源的火线端连接，第一二极管(VD1)的阴极与第一电阻(R1)的一端连接，第一电阻(R1)的另一端分别与第二二极管(VD2)的阴极以及光耦隔离电路单元连接，第二二极管(VD2)的阳极与外部交流电源的零线端连接。
3.根据权利要求1所述的过零检测电路，其特征在于，所述光耦隔离电路单元包括光耦(D1)、第二电阻(R2)以及电源(VCC)，所述光耦(D1)的阳极与半波整流电路单元连接，光耦(D1)的阴极与外部交流电源的零线端连接，光耦(D1)的发射极分别与第二电阻(R2)的一端以及整形滤波电路单元连接，第二电阻(R2)的另一端电源(VCC)连接，光耦(D1)的集电极与整形滤波电路单元连接。
4.根据权利要求3所述的过零检测电路，其特征在于，所述整形滤波电路单元包括第一电容(C1)、第二电容(C2)以及第三电阻(R3)，所述第一电容(C1)以及第二电容(C2)分别连接在光耦(D1)的发射极与集电极之间，第三电阻(R3)的一端与光耦(D1)的发射极连接，另一端与输出端连接。
5.根据权利要求3或4所述的过零检测电路，其特征在于，所述光耦(D1)为TLP521或PC817。
6.过零检测方法，应用于如权利要求1-5任意一项所述的过零检测电路，其特征在于，包括：
步骤(1)、对准方波信号的第N个上升沿进行采样取值，加上过零检测电路中的固定延迟时间，得到输入交流信号的第2N-1个过零点，N为大于等于1的整数；
步骤(2)、在第2N-1个过零点时刻，加上半个准方波周期，得到第2N个过零点。
7.根据权利要求6所述的过零检测方法，其特征在于，所述固定延迟时间由过零检测电路的器件参数选择、电路结构方式决定。
8.根据权利要求6所述的过零检测方法，其特征在于，所述半个准方波周期为：在采样准方波信号中，临近两个上升沿时间间隔大小，即为准方波的一个周期时间，准方波的一个周期时间的一半即为半个准方波周期。
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