CN112816768B - 交流电压信号过零检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了交流电压信号过零检测装置，包括：采样模块，用于对交流电压信号进行等比例实时采样，获取各采样时刻的电压信号；滤波模块，其用于对所采样到的电压信号进行滤波；计算模块，用于计算滤波后的电压信号的信号变化率；判断模块，其用于实时判断采样时刻下的信号的信号变化率；处理模块，其用于在判断所述信号变化率为最小值或最大值时，信号变化率对应下的时刻为所计算的过零点时刻；根据所计算的过零点时刻计算交流电压信号的频率f；交流电压信号的相位偏移2*π*f*t'后，获取实际的过零点位置。本发明通过检测交流电压信号的变化率的变化，可靠且有效实现过零点位置的准确检测。

Description

交流电压信号过零检测装置
技术领域
本发明涉及交流电压信号检测技术领域，尤其涉及交流电压信号过零检测装置。
背景技术
在家电及工业控制系统中，为实现精确控制，经常需要检测交流电源的零点，从过零点信息中，可以得到交流信号的频率和相位两个重要的参数，其过零检测的基本原理是通过判别正弦电压过零点来确定信号相位、以及利用信号两过零点的时间间隔来计算频率。例如应用在PFC（Power Factor Correction，功率因数校正）电路中，若想要获得较高功率因数的效率，输入交流电压的过零点位置需要准确地检测出来。
目前，通过国内外学者的研究与发展，已经发明了许多基于各种原理与方法的检测手段，有基于简单软硬件实现的脉冲计数法、过零检测法，以及基于复杂算法的傅里叶变换法、卡尔曼滤波法等。
在众多检测法中，过零判别检测法是一种简单实用、应用广泛的电力正弦信号相位、频率检测方法，多采用复杂的交流过零检测电路实现过零点信息的提取，电路器件数量多，增加检测电路硬件成本，且过多的器件易于发生检测电路故障，降低系统容错率。
发明内容
本发明的实施例的目的在于提供一种交流电压信号过零检测装置，通过检测交流电压信号的变化率的变化，可靠且有效实现过零点位置的准确检测，且装置采用简单硬件电路和软件实现过零检测，降低硬件投入及维护成本。
为实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案予以实现：
本申请涉及一种交流电压信号过零检测装置，其特征在于，包括：
采样模块，用于对交流电压信号进行等比例实时采样，获取各采样时刻的电压信号；
滤波模块，其用于对所采样的电压信号进行滤波；
计算模块，用于计算滤波后的电压信号的信号变化率；
判断模块，其用于实时判断采样时刻下的信号的信号变化率；
处理模块，其用于在判断所述信号变化率为最小值或最大值时，所述信号变化率对应下的时刻为所计算的过零点时刻；
根据所计算的过零点时刻计算交流电压信号的频率f；
所述交流电压信号的相位偏移2*π*f*t'后，获取实际的过零点位置；
其中t'为经过所述滤波模块滤波后的信号延迟时间。
本申请涉及的交流电压过零检测电路，其用于全波正弦交流信号，通过检测采样时刻下的信号变化率，在信号变化率为最小值或最大值时，表示此时刻为过零点时刻，由于滤波模块会对信号进行相位延迟，因此，信号最终计算的实际的过零点位置是在信号相位偏移2*π*f*t'后的时刻，此种获取过零点位置的方式简单、可靠，且采用软件和硬件的结合来实现，硬件电路简单且电路器件少，硬件投入成本及维护成本低。
在本申请中，所述采样模块为分压电路，所述分压电路的输入端接收所述交流电压信号Vac，输出端输出所采样的电压信号Vac_adc；
所述采样模块的采样周期为设定值T。
在本申请中，所述计算模块用于计算信号变化率，具体为：
k（n）=（Vac_adc（n）-Vac_adc（n-1））/T；
其中Vac_adc（n）为当前采样时刻采样的电压信号，Vac_adc（n-1）为上一采样时刻采样的电压信号。
本申请还涉及一种交流电压信号过零检测装置，其特征在于，包括：
整流模块，其用于对所述交流电压信号进行全波整流；
采样模块，用于对整流后的交流电压信号进行等比例实时采样，获取各采样时刻的电压信号；
滤波模块，其用于对所采样的电压信号进行滤波；
计算模块，用于计算滤波后的电压信号的信号变化率；
判断模块，其用于实时判断相邻两个采样时刻下的信号的信号变化率的关系；
处理模块，其用于在判断相邻两个信号变化率从零或负值跳变到正值时，所述信号变化率对应下的时刻为所计算的过零点时刻；
根据所计算的过零点时刻计算交流电压信号的频率f；
所述交流电压信号的相位偏移2*π*f*t'后，获取实际的过零点位置；
其中t'为经过所述滤波模块滤波后的信号延迟时间。
本申请涉及的交流电压过零检测电路，其用于全波正弦交流信号整流后的交流信号，通过检测采样时刻下的信号变化率，在信号变化率从零或负值跳变到正值时，表示此时刻为过零点时刻，由于滤波模块会对信号进行相位延迟，因此，信号最终计算的过零点位置是在信号相位偏移2*π*f*t'后的时刻，此种获取过零点位置的方式简单、可靠，且采用软件和硬件的结合来实现，硬件电路简单且电路器件少，硬件投入成本及维护成本低。
在本申请中，所述采样模块为分压电路，所述分压电路的输入端接收所述交流电压信号Vac，输出端输出所采样的电压信号Vac_adc；
所述采样模块的采样周期为设定值T。
在本申请中，所述计算模块用于计算信号变化率，具体为：
k（n）=（Vac_adc（n）-Vac_adc（n-1））/T；
其中Vac_adc（n）为当前采样时刻采样的电压信号，Vac_adc（n-1）为上一采样时刻采样的电压信号。
在本申请中，所述信号变化率k（n）＜-a*A*T时，表示所述信号变化率为负值；
k（n）＞a*A*T时，表示所述信号变化率为正值；
其中A为交流电压信号的波幅，a为预设的调试系数。
结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提出的交流电压信号过零检测装置一实施例中全波正弦电压信号及信号变化率、全波整流后的正弦电压信号及对应下信号变化率的曲线图；
图2是本发明提出的交流电压信号过零检测装置一实施例的系统结构图；
图3是本发明提出的交流电压信号过零检测装置实施例的获取过零位置的流程图；
图4是本发明提出的交流电压信号过零检测装置再一实施例的系统结构图；
图5是本发明提出的交流电压信号过零检测装置再一实施例的获取过零位置的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
过零检测的基本原理
对正弦电压信号和余弦电压信号（统称为交流电压信号）的过零检测是一样的，因此，参见图1，如下仅以正弦交流电压信号为例进行说明。
全波正弦信号的曲线可以表示如下。
y=A*sin（ωt）， （1）
其中A为波幅，ω为角频率，t为时间，ωt为相位。
对应地，全波正弦信号的信号变化率表示如下。
Figure DEST_PATH_IMAGE002
， （2）
参见图1，市电输入信号Vac虚线代表全波正弦信号，对应的信号变化率也由虚线表示。
在全波正弦信号中，过零点位置1（记为A）处信号变化率为最小值（负值），过零点位置2（记为B）处信号变化率为最大值（正值）。
因此，针对全波正弦信号，可以根据信号变化率的极值确定过零点位置。
对全波正弦信号进行全波整流（即，将正弦交流电压信号的负半周也变成正半周，例如，将50Hz的交流电流变成100Hz的脉动电流）后，可以获取到整流后的正弦信号的曲线，其表示如下。
Figure DEST_PATH_IMAGE004
， （3）
对应地，经过整流后的正弦信号的信号变化率表示如下。
Figure DEST_PATH_IMAGE006
， （4）
参见图1，市电输入信号Vac实线代表整流后的正弦信号，对应的信号变化率由实线表示。
在整流后的正弦信号中，过零点位置1（记为A）处信号变化率从最小值和过零点位置2（记为B）处的信号变化率既是最小值（负值）也是最大值（正值）。
即，过零点位置1处信号变化率是从最小值（负值）跳变到最大值（正值），过零点位置2处的信号变化率也是从最小值（负值）跳变到最大值（正值）。
因此，针对整流后的正弦信号，可以根据信号变化率大小是否存在正负值跳变来确定过零点位置。
类似地，可以获取针对全波余弦信号及整流后的余弦信号的过零点检测方式。
全波交流电压信号的过零点检测
图2示出了针对全波交流电压信号的过零检测装置的结构图，图3示出了针对全波交流信号进行过零检测的流程图。
结合图2和图3，具体描述全波交流电压信号过零点检测。
过零点检测装置包括采样模块10、滤波模块20、计算模块30、判断模块40和处理模块50。
结合图3，分别描述如上过零点检测装置中的各个模块。
S31：对交流电压信号进行等比例实时采样，获取到各采样时刻的电压信号。
在S31中，通过采样模块10对交流电压信号Vac进行等比例实时采样。
在本申请中，采样模块10选择为分压电路，通过设定分压电路上的电阻值的大小实现采样时的等比例系数。
例如，该分压电路为串联的电阻R2和R1，电阻R2的一端连接输入电压Vac，另一端连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端接地，电阻R2的另一端和电阻R1的一端连接的位置为分压电路的输出端，输出信号为Vac_adc。
此时，等比例系数为R1/（R1+R2）。
设置采用模块的采样周期为T。
在不同采样时刻下分别获取到一个Vac_adc，即，Vac_adc（n）,其中n为采样时刻。
S32：对采样后的电压信号进行滤波。
电网或电源中会存在谐波干扰，因此，需要利用滤波模块20对采样的电压信号Vac_adc（n）进行数字滤波。
在本申请中，滤波模块20可以选用数字滤波器，例如，一阶滤波器、二阶滤波器等。
具体选择滤波器的类型应根据实际需求进行选择。
以一阶滤波器为例说明。
一阶滤波器的传递函数如下。
Figure DEST_PATH_IMAGE008
。
其中，截止频率fc=1/（2πT）。
通过设置合适的截止频率，消除采样的电压信号中的谐波成分。
需要说明的是，采样的电压信号经过数字滤波器后有相位延迟，需要在最终计算过零点位置处加入ω*t'的相位偏移，其中t'是经过数字滤波器后的信号延迟时间。
S33：计算滤波后的电压信号的信号变化率。
计算模块30根据滤波后的各采样时刻的电压信号及采样周期T，计算各采样时刻下的信号变化率。
Figure DEST_PATH_IMAGE010
， （5）
为了方便计算，由于采样周期是预设的恒量T，因此，
上述公式（5）可以等效为
Figure DEST_PATH_IMAGE012
， （6）
S34：实时判断采样时刻下的信号的信号变化率。
判断模块40通过比较表征各采样时刻下的信号变化率的k(n)或k'(n)，判定信号变化率中的最大值或最小值。
在判断出信号变化率的大小时，处理模块50用于执行S35~S37的操作。
S35：在判断信号变化率为最小值或最大值时，信号变化率对应下的时刻为所计算的过零点时刻。
参见图1及其描述部分，信号变化率为最小值的时刻为过零点位置1，信号变化率为最大值的时刻为过零点位置2。
因此，只要是信号变化率为最大值或最小时，都是过零点位置。
同样能获取下个过零点位置时刻，时刻间隔即为全波正弦信号一半的周期。
S36：根据过零点时刻计算交流电压信号的频率f。
在S35中获知了所计算的过零点时刻，根据全波正弦信号一半的周期可以获知下一个相邻的过零点时刻。
根据根据所计算的相邻两个过零点时刻的时间间隔计算交流电压信号的频率f。
S37：交流电压信号的相位偏移2*π*f*t'后，获取实际的过零点位置。
滤波模块20的存在，使得信号延迟相位ω*t'.
因此，需要通过超前（或向左）偏移相位ω*t'来还原源信号，即，全波正弦信号y=A*sin（ωt）。
ω=2πf，且f由S36中计算得出，因此，所偏移的相位ω*t'=2*π*f*t'。
对交流电压信号进行相位偏移2*π*f*t'后，在y=0时，可以计算出源信号的过零点位置。
整流后正弦信号的过零点检测
图4示出了针对整流后的正弦信号的过零检测装置的结构图，图5示出了针对整流后的正弦信号进行过零检测的流程图。
结合图4和图5，具体描述整流后的正弦信号的过零点检测。
过零点检测装置包括整流模块60、采样模块10'、滤波模块20'、计算模块30'、判断模块40'和处理模块50'。
结合图4，分别描述如上过零点检测装置中的各个模块。
S41：对交流电压信号进行全波整流。
在实际需要中，需要利用整流模块60（例如双半波整流电路、桥式全波整流电路等）对全波交流电压信号进行全波整流。
例如，将正弦交流电压信号的负半周也变成正半周，例如，将50Hz的交流电流变成100Hz的脉动电流。
S42：对整流后的交流电压信号进行等比例实时采样，获取到各采样时刻的电压信号。
在S42中，通过采样模块10'对整流后交流电压信号Vac进行等比例实时采样。
在本申请中，采样模块10'选择为分压电路，通过设定分压电路上的电阻值的大小实现采样时的等比例系数。
例如，该分压电路为串联的电阻R2和R1，电阻R2的一端连接输入电压Vac，另一端连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端接地，电阻R2的另一端和电阻R1的一端连接的位置为分压电路的输出端，输出信号为Vac_adc。
此时，等比例系数为R1/（R1+R2）。
设置采用模块的采样周期为T。
在不同采样时刻下分别获取到一个Vac_adc，即，Vac_adc（n）,其中n为采样时刻。
S43：对采样后的电压信号进行滤波。
电网或电源中会存在谐波干扰，因此，需要利用滤波模块20'对采样的电压信号Vac_adc（n）进行数字滤波。
在本申请中，滤波模块20'可以选用数字滤波器，例如，一阶滤波器、二阶滤波器等。
具体选择滤波器的类型应根据实际需求进行选择。
以一阶滤波器为例说明。
一阶滤波器的传递函数如下。
Figure DEST_PATH_IMAGE014
。
其中，截止频率fc=1/2πT。
通过设置合适的截止频率，消除采样的电压信号中的谐波成分。
需要说明的是，采样的电压信号经过数字滤波器后有相位延迟，需要在最终计算过零点位置处加入ω*t'的相位偏移，其中t'是经过数字滤波器后的信号延迟时间。
S44：计算滤波后的电压信号的信号变化率。
计算模块30'根据滤波后的各采样时刻的电压信号及采样周期T，计算各采样时刻下的信号变化率。
Figure DEST_PATH_IMAGE016
， （7）
为了方便计算，由于采样周期是预设的恒量T，因此，
上述公式（7）可以等效为
Figure DEST_PATH_IMAGE018
， （8）
S45：实时判断采样时刻下的信号的信号变化率。
判断模块40'通过比较表征各采样时刻下的信号变化率的k(n)或k'(n)，判定信号变化率中中从负值或从零跳变至正值时的时刻。
在判断出信号变化率从负值或零跳变至正值时的时刻，处理模块50'用于执行S46~S48的操作。
S46：在判断信号变化率从负值或零跳变至正值时，此时信号变化率对应下的时刻为所计算的过零点时刻。
参见图1及其描述部分，信号变化率为负值或零的时刻为过零点位置1，信号变化率跳变至正值的时刻为过零点位置2。
同样能获取下个过零点位置时刻，时刻间隔即为全波正弦信号一半的周期。
S47：根据过零点时刻计算交流电压信号的频率f。
在46中获知了所计算的过零点时刻，根据全波正弦信号一半的周期可以获知下一个相邻的过零点时刻。
根据根据所计算的相邻两个过零点时刻的时间间隔计算交流电压信号的频率f。
S48：交流电压信号的相位偏移2*π*f*t'后，获取最终实际的过零点位置。
滤波模块20'的存在，使得信号延迟相位ω*t'。
因此，需要通过超前（或向左）偏移相位ω*t'来还原源信号，即，整流后的正弦信号，y=A*|sin(ωt)|。
ω=2πf，且f由S36中计算得出，因此，所偏移的相位ω*t'=2*π*f*t'。
对交流电压信号进行相位偏移2*π*f*t'后，在y=0时，可以计算出源信号的过零点位置。
本申请提出的交流电压信号过零检测装置，利用简单的硬件电路与软件结合，通过检测信号变化率来检测交流电压信号的过零点位置，检测可靠且准确，且该交流电压信号过零检测装置中所使用的硬件电路简单，硬件投入成本低，且维护成本也低。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种交流电压信号过零检测装置，其特征在于，包括：
采样模块，用于对交流电压信号进行等比例实时采样，获取各采样时刻的电压信号；
滤波模块，其用于对所采样到的电压信号进行滤波；
计算模块，用于计算滤波后的电压信号的信号变化率；
判断模块，其用于实时判断采样时刻下的信号的信号变化率；
处理模块，其用于在判断所述信号变化率为最小值或最大值时，所述信号变化率对应下的时刻为所计算的过零点时刻；
根据所计算的过零点时刻计算交流电压信号的频率f；
所述交流电压信号的相位偏移2*π*f*t'后，获取实际的过零点位置；
其中t'为经过所述滤波模块滤波后的信号延迟时间。
2.根据权利要求1所述的交流电压信号过零检测装置，其特征在于，
所述采样模块为分压电路，所述分压电路的输入端接收所述交流电压信号Vac，输出端输出所采样的电压信号Vac_adc；
所述采样模块的采样周期为设定值T。
3.根据权利要求2所述的交流电压信号过零检测装置，其特征在于，
所述计算模块用于计算信号变化率，具体为：
k（n）=（Vac_adc（n）-Vac_adc（n-1））/T；
其中Vac_adc（n）为当前采样时刻采样的电压信号，Vac_adc（n-1）为上一采样时刻采样的电压信号。
4.一种交流电压信号过零检测装置，其特征在于，包括：
整流模块，其用于对所述交流电压信号进行全波整流；
采样模块，用于对整流后的交流电压信号进行等比例实时采样，获取各采样时刻的电压信号；
滤波模块，其用于对所采样的电压信号进行滤波；
计算模块，用于计算滤波后的电压信号的信号变化率；
判断模块，其用于实时判断相邻两个采样时刻下的信号的信号变化率的关系；
处理模块，其用于在判断相邻两个信号变化率从零或负值跳变到正值时，所述信号变化率对应下的时刻为所计算的过零点时刻；
根据所计算的过零点时刻计算交流电压信号的频率f；
所述交流电压信号的相位偏移2*π*f*t'后，获取实际的过零点位置；
其中t'为经过所述滤波模块滤波后的信号延迟时间。
5.根据权利要求4所述的交流电压信号过零检测装置，其特征在于，
所述采样模块为分压电路，所述分压电路的输入端接收所述交流电压信号Vac，输出端输出所采样的电压信号Vac_adc；
所述采样模块的采样周期为设定值T。
6.根据权利要求5所述的交流电压信号过零检测装置，其特征在于，
所述计算模块用于计算信号变化率，具体为：
k（n）=（Vac_adc（n）-Vac_adc（n-1））/T；
其中Vac_adc（n）为当前采样时刻采样的电压信号，Vac_adc（n-1）为上一采样时刻采样的电压信号。
7.根据权利要求6所述的交流电压信号过零检测装置，其特征在于，
所述信号变化率k（n）＜-a*A*T时，表示所述信号变化率为负值；
k（n）＞a*A*T时，表示所述信号变化率为正值；
其中A为交流电压信号的波幅，a为预设的调试系数。
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