JP2017053813A

JP2017053813A - 交流電源波形のゼロクロス時点検出装置

Info

Publication number: JP2017053813A
Application number: JP2015179865A
Authority: JP
Inventors: 鵜飼　義之; Yoshiyuki Ukai; 義之鵜飼
Original assignee: Hoshizaki Corp
Current assignee: Hoshizaki Corp
Priority date: 2015-09-11
Filing date: 2015-09-11
Publication date: 2017-03-16

Abstract

【課題】交流電源波形のゼロクロス時点を外乱に影響されることなく正確に検出する装置を、簡単な構成で実現する。【解決手段】正弦波の入力交流電源波形を所定のしきい値に対する高低に応じて矩形波に変換して出力する矩形波出力手段と、中心周波数が入力電源の周波数に等しいバンドパスフィルタにより矩形波出力手段の出力矩形波をバンドパス処理して正弦波を出力するバンドパスフィルタ手段と、バンドパスフィルタ手段が出力正弦波の波高値として零の波高値を出力する時点を入力交流電源波形のゼロクロス時点として報知する手段とを備えて構成する。【選択図】図３

Description

この発明は、交流電源波形のゼロクロス時点検出装置に関し、より具体的には、加熱機器や照明機器などの電力消費機器に対して電力供給する際に、電源周期の半サイクルごとにオンオフの位相を制御して電力供給時間区間を変えることにより、供給電力を調節する「位相制御」において用いられる、交流電源波形のゼロクロス時点を検出する装置において、交流波形を所定のしきい値に対する高低に応じて矩形波に変換する際に矩形波のデューティ比が５０％からずれる影響を取り除くとともに、電源波形の歪みや電源波形に重畳する外乱の影響を取り除くように工夫したものである。

一般に、交流電源波形のゼロクロス時点を検出するには、正弦波の形状の電源波形を半波整流してフォトカプラに供給して矩形波に変換し、矩形波の立上りおよび立下りのエッジを以てゼロクロス時点と判断していた。しかしながら、フォトカプラの発光側の入力順電圧（発光開始電圧）の分だけ正弦波のゼロレベルよりも正側にシフトしたしきい値に対する波形の高低に応じて正弦波が矩形波に変換されるため、変換された矩形波のデューティ比が理想の５０％から若干ずれて、矩形波のＨの区間が短めにＬの区間が長めになり、矩形波の立上りエッジまたは立下りエッジが正確に正弦波のゼロクロス時点に一致しないことになる。また、一般に、商用電源の波形は、綺麗な正弦波であるとは限らないし、他の機器や環境からの誘導によるパルス性の外乱が重畳して乱れている可能性もあり、そのような乱れた波形から求めた矩形波のエッジは、必ずしも本来の正弦波のゼロクロス時点のみを正しく表す訳ではない。

正弦波の位相や周波数を高精度で検出する装置として、特許文献１や特許文献２に記載されたものが知られているが、それらは、複素係数フィルタを利用するなど高度な数学処理のための高度な数学演算手段が必要である。

特開２０１１−２２９３６１号公報特開２０１２−１６３５４３号公報

この発明は、交流電源波形のゼロクロス時点を、外乱に影響されることなく正確に検出する装置を、簡単な構成で実現することを目的とする。

上記の課題を解決するために、この発明による交流電源波形のゼロクロス時点検出装置は、所与の周波数の正弦波の入力交流電源波形を所定のしきい値に対する高低に応じて矩形波に変換して出力する矩形波出力手段と、中心周波数が前記所与の周波数に等しいバンドパスフィルタにより、前記矩形波出力手段の出力矩形波をバンドパス処理して、正弦波を出力するバンドパスフィルタ手段と、前記バンドパスフィルタ手段が出力正弦波の波高値として零の波高値を出力する時点を前記入力交流電源波形のゼロクロス時点として報知する手段と、を備えてなることを特徴とする。

この発明の交流電源波形のゼロクロス時点検出装置では、バンドパスフィルタ手段を、デジタルフィルタで構成し、当該デジタルフィルタに入力される矩形波を所定のサンプリング周期で順次サンプリングした各サンプル値を、バンドパス処理の伝達関数を有するサンプル信号処理回路に通して正弦波を形成するサンプル値の列に変換して出力する手段として構成すると、好適である。

また、この発明の交流電源波形のゼロクロス時点検出装置において、バンドパスフィルタ手段に入力交流電源の周波数が５０Ｈｚであるか６０Ｈｚであるかを弁別する回路を設けて、弁別した５０Ｈｚまたは６０Ｈｚにバンドパスフィルタ手段の中心周波数を自動設定する構成とすれば、５０Ｈｚと６０Ｈｚの違いに拘わらず同じゼロクロス時点検出装置を利用することができて、好都合である。

この発明によれば、簡単な構成の装置で、交流電源波形のゼロクロス時点を、外乱に影響されることなく正確に検出することができる。

この発明の第一の実施形態による交流電源波形のゼロクロス時点検出装置の構成を示す回路図である。図１の回路図の各点における波形を示す波形図である。この発明の第二の実施形態による交流電源波形のゼロクロス時点検出装置の構成を示す回路図である。図３の回路図の各点における波形を示す波形図である。電源波形の種々の箇所にパルスノイズが載った場合の電源波形の例を示す波形図である。図５の波形を矩形波に変換した場合の矩形波の波形、およびその矩形波を電源周波数に等しい中心周波数でバンドパス処理して出力される正弦波を重ねて示す波形図である。図６の矩形波、およびその矩形波を電源周波数と異なる中心周波数でバンドパス処理して出力される正弦波を重ねて示す波形図である。図１または図３におけるバンドパス処理手段において、入力矩形波の周波数に応じてバンドパス処理の中心周波数を設定する構成を示すブロック線図である。デジタルフィルタによるバンドパス処理により入力矩形波がその基本波の周波数の正弦波に変換される様子を説明するブロック線図である。

以下、図面を参照しながら、この発明の実施形態として、正弦波の入力交流電源波形をフォトカプラにより矩形波に変換し、当該矩形波をデジタルフィルタによりバンドパス処理して、正弦波を形成するサンプル値の列に変換して出力し、当該正弦波の波高値として零の波高値を出力する時点を以て入力交流電源正弦波のゼロクロス時点として検出する構成について説明する。

図１は、この発明の第一の実施形態による交流電源波形のゼロクロス時点検出装置の構成を示す回路図であり、図２は、図１の回路図の各点における波形を示す波形図である。図１において、商用交流電源ＡＣ（例えば、６０Ｈｚまたは５０Ｈｚの１００Ｖまたは２００Ｖ）から図２の（ａ）に示す正弦波ｖ_pwr1(t)が電流制限抵抗Ｒ１および半波整流用のダイオードＤ１を直列に介して、フォトカプラＰｈの入力側に加えられる。Ｄ２は、保護用のダイオードである。フォトカプラＰｈは、所定のしきい値に対する入力正弦波の高低に応じて矩形波に変換して出力するもので、フォトカプラＰｈの発光側の入力順電圧の分だけ正弦波のゼロレベルよりも正側にシフトしたしきい値と比較しての入力波形の高低に応じて正弦波が矩形波に変換される。図２の（ａ）に、商用交流電源ＡＣの正弦波ｖ_pwr1(t)の波形を実線で示すとともに、フォトカプラＰｈの入力側に加えられる波形に対するしきい値電圧に相当する商用交流電源電圧のレベル位置にしきい値レベルＶ_thを破線で示す。フォトカプラＰｈは、商用交流電圧の波高値ｖ_pwr1(t)がしきい値レベルＶ_thより高い範囲でのみＨの値を呈し他の範囲ではＬの値を呈する図２の（ｂ）に示す矩形波ｖ_sq1(ｔ)を出力する。この矩形波ｖ_sq1(ｔ)は、図示するように、Ｈの区間の方がＬの区間より短く、デューティ比が５０％からずれている。

マイコンＭＣ１は、中心周波数が商用交流電源ＡＣの周波数（例えば、６０Ｈｚ）に等しいバンドパス処理の伝達関数を実行するアルゴリズムによりデジタルフィルタとして信号処理をするもので、矩形波ｖ_sq1(ｔ)を所定のサンプリング周期（例えば、０．２５ｍｓ）でサンプリングした各サンプル値を順次演算処理して、マイコンＭＣ１の内部で図２の（ｃ）に示す正弦波ｖ_pwr2(Δｔ)を形成するサンプル値の列を算出し、すなわち、中心周波数が商用交流電源周波数に等しいバンドパスフィルタにより、立上りエッジおよび立下りエッジがそれぞれ元の正弦波のゼロクロス時点から前後にずれている図２の（ｂ）の矩形波からゼロクロス時点が元の正弦波のゼロクロス時点に一致する図２の（ｃ）の正弦波を算出する。この正弦波は、図２の（ｂ）の矩形波の基本波成分の周波数の正弦波であり、マイコンＭＣ１は、その正弦波の波高値の正負に基づいて図２の（ｄ）に示す矩形波ｖ_sq2(ｔ)を出力する。この矩形波ｖ_sq2(ｔ)は、図示するように、Ｈの区間の長さとＬの区間の長さが等しく、デューティ比が正しく５０％となっている。この矩形波ｖ_sq2(ｔ)の立上りエッジおよび立下りエッジの時点で、マイコンＭＣ２が出力端子Ｘに入力交流電源波形のゼロクロス時点であることを報知する信号を出力する。図示しない位相制御電力供給システムは、この報知されたゼロクロス時点を基準に位相角を制御して、電力供給の位相制御を行う。

次に、図３および図４を参照しながら、商用電源波形にパルス性の外乱が重畳した場合におけるこの発明の交流電源波形のゼロクロス時点検出装置の動作について説明する。図３は、この発明の第二の実施形態による交流電源波形のゼロクロス時点検出装置の構成を示す回路図であり、図４は、図３の回路図の各点における波形を示す波形図である。図３において、商用交流電源ＡＣから図４の（ａ）に示す正弦波ｖ_pwr1(t)が電流制限抵抗Ｒ１および半波整流用のダイオードＤ１を直列に介して、フォトカプラＰｈの入力側に加えられる。Ｄ２は、保護用のダイオードである。フォトカプラＰｈは、所定のしきい値に対する入力正弦波の高低に応じて矩形波に変換して出力するもので、フォトカプラＰｈの発光側の入力順電圧の分だけ正弦波のゼロレベルよりも正側にシフトしたしきい値と比較しての入力波形の高低に応じて正弦波が矩形波に変換される。図４の（ａ）に、商用交流電源ＡＣの正弦波ｖ_pwr1(t)の波形にパルス性の外乱ｖ_n(ｔ)が重畳している場合の入力波形を実線で示すとともに、フォトカプラＰｈの入力側に加えられる波形に対するしきい値電圧に相当する商用交流電源電圧のレベル位置にしきい値レベルＶ_thを破線で示す。フォトカプラＰｈは、商用交流電圧の波高値ｖ_pwr1(t)および外乱ｖ_n(ｔ)がしきい値レベルＶ_thより高い範囲でのみＨの値を呈し他の範囲ではＬの値を呈する図４の（ｂ）に示す矩形波ｖ_sq(ｔ)を出力する。この矩形波ｖ_sq(ｔ)は、図示するように、図２の（ｂ）の場合と同様にＨの区間の方がＬの区間より短く、デューティ比が５０％からずれていることに加えて、外乱ｖ_n(ｔ)に対応する時間区間に波高値Ｈを呈する矩形波区間Ｈｎを含んでいる。この矩形波ｖ_sq(ｔ)の立ち上がりエッジと立ち下がりエッジを利用して入力交流波形のゼロクロス時点としたのでは、前述の図２の（ｂ）の場合よりもさらに誤差が多く、不適当である。

マイコンＭＣ３は、矩形波ｖ_sq(ｔ)を所定のサンプリング周期（例えば、０．２５ｍｓ）でサンプリングした各サンプル値を中心周波数が商用交流電源ＡＣの周波数（例えば、６０Ｈｚ）に等しいバンドパス処理の伝達関数のアルゴリズムに基づいてデジタルフィルタとして信号処理して、図４の（ｃ）に示す正弦波ｖ_pwr2(Δｔ)を形成するサンプル値の列を算出して出力する。この正弦波ｖ_pwr2(Δｔ)のゼロクロス時点は、元の正弦波のゼロクロス時点に一致する。併せて、出力正弦波の波高値が零であるサンプルを出力する時点（出力サンプル値が正から負にまたは負から正に逆転する箇所で、ちょうど零となる波高値サンプルが算出されない場合は、その逆転する箇所の正負いずれかのサンプル値を出力する時点）で出力端Ｙに正弦波のゼロクロス時点であることを報知する信号を出力する。図示しない位相制御電力供給システムは、この報知されたゼロクロス時点を基準に位相角を制御して、電力供給の位相制御を行う。

次に、図５および図６を参照して、電源波形にパルス性のノイズが重畳した場合について、この発明におけるバンドパスフィルタ処理の具体例を説明する。図５は、６０Ｈｚの電源波形にネガティブスパイクの外乱が入っているときの波形を示す。これをフォトカプラを介して矩形波に変換すると、図６の太線で示す矩形波となる。その矩形波を中心周波数が６０Ｈｚであるバンドパスフィルタ処理に通すと、図６に細線で示す正弦波となる。この正弦波は、当該矩形波の基本波周波数の６０Ｈｚであり、ゼロクロス時点は、原電源正弦波のゼロクロス時点と一致している。図７は、図６の矩形波を中心周波数が５０Ｈｚであるバンドパスフィルタ処理に通した場合の、出力正弦波を細線で示している。この図から分かるように、基本周波数とは異なる中心周波数のバンドパスフィルタ処理に通したため、出力正弦波の振幅が小さくなっていることに加えて、位相が原波形からずれている（したがって、ゼロクロス時点が原波形と一致していない）。このことを利用すると、図８に示すように、バンドパスフィルタＢＰＦの中心周波数を６０Ｈｚと５０Ｈｚとに切り換え設定可能にしておいて、それぞれの場合の出力正弦波を評価回路Ｅｖで評価して、振幅の大きい方の周波数が電源周波数であると自動検出して、その周波数にバンドパスフィルタの中心周波数を自動設定する構成とすることができる。

次に、図９および［数１］を参照して、バンドパスフィルタ処理の具体的な内容について説明する。図９に示すバンドパスフィルタＢＰＦは、入力波形Ｖ_inを出力波形Ｖ_outに変換するものであり、ラプラス変換領域で表現すると、［数１］の（１）式を実行するものである。ここに、Ｖ_in(ｓ)は入力信号であり、Ｖ_out(ｓ)は出力信号であり、Ｔ(ｓ)は伝達関数である。伝達関数Ｔ(ｓ)は、（２）式および（３）式で示す内容であり、ここに、ａ₁は利得、ｓはラプラス変換領域における変数、ω₀はバンドパスフィルタの中心周波数、ＱはバンドパスフィルタのＱ値である。（３）式を（１）式に代入すると、（４）式が得られ、右辺の分母を左辺に移動すると、（５）式が得られる。ここで、（５）式を逆ラプラス変換して時間領域の関係式で表すと、（６）式となる。時間に関して連続関数の（６）式をデジタル演算処理により解くために、微分および積分の計算を順次サンプル値についてデジタル演算で実行すべく、それぞれ（７）式および（８）式で示す離散化に従って置き換えると、（６）式は（９）式のように表現される。（９）式を、順次に（１０）式、（１１）式と変形して行って、（１１）式により出力サンプルのｖ_out(ｎ)が求められる。Δｔ＝０．２５ｍｓとし、Ｑ＝１０とすると、マイコンによる演算処理速度の面でも問題なく、強力なバンドパスフィルタ処理が達成される。

以上説明したように、この発明に係る交流電源波形のゼロクロス時点検出装置によれば、原正弦波を所定のしきい値に対する高低に応じて矩形波に変換して、その矩形波の基本波成分の正弦波をバンドパスフィルタにより抽出するので、簡単なマイコン処理で原波形の歪みや外乱の重畳に影響されることなく、正確に交流電源波形のゼロクロス時点を検出することができる。

ＡＣ…商用交流電源、ＢＰＦ…バンドパスフィルタ、Ｄ１…半波整流用のダイオード、Ｄ２…保護用のダイオード、Ｅｖ…評価回路、ＭＣ１…マイコン、ＭＣ２…マイコン、ＭＣ３…マイコン、Ｐｈ…フォトカプラ、Ｒ１…電流制限抵抗、Ｘ…出力端子、Ｙ…出力端子。

Claims

所与の周波数の正弦波の入力交流電源波形を所定のしきい値に対する高低に応じて矩形波に変換して出力する矩形波出力手段と、
中心周波数が前記所与の周波数に等しいバンドパスフィルタにより、前記矩形波出力手段の出力矩形波をバンドパス処理して、正弦波を出力するバンドパスフィルタ手段と、
前記バンドパスフィルタ手段が出力正弦波の波高値として零の波高値を出力する時点を前記入力交流電源波形のゼロクロス時点として報知する手段と、
を備えてなる交流電源波形のゼロクロス時点検出装置。
請求項１に記載の交流電源波形のゼロクロス点検出装置において、
前記バンドパスフィルタ手段は、デジタルフィルタであり、当該デジタルフィルタに入力される矩形波を所定のサンプリング周期で順次サンプリングした各サンプル値を、バンドパス処理の伝達関数を有するサンプル信号処理回路に通して正弦波を形成するサンプル値の列に変換して出力する手段である
ことを特徴とする交流電源波形のゼロクロス時点検出装置。
請求項１または２に記載の交流電源波形のゼロクロス時点検出装置において、
前記バンドパスフィルタ手段は、入力交流電源の周波数が５０Ｈｚであるか６０Ｈｚであるかを弁別して、前記中心周波数を当該弁別した周波数に自動設定してバンドパス処理する手段である
ことを特徴とする交流電源波形のゼロクロス時点検出装置。