JP3274068B2 - 位相判定回路 - Google Patents

位相判定回路

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JP3274068B2
JP3274068B2 JP20332796A JP20332796A JP3274068B2 JP 3274068 B2 JP3274068 B2 JP 3274068B2 JP 20332796 A JP20332796 A JP 20332796A JP 20332796 A JP20332796 A JP 20332796A JP 3274068 B2 JP3274068 B2 JP 3274068B2
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孝男 小島
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東光電気株式会社
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、商用周波数の正弦
波などの2つの波形の位相角が予め設定された位相角に
対して進みか遅れかを判定する位相判定回路に関し、詳
しくは、高調波などによる歪を含んだ波形を対象とする
位相判定回路に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、この種の位相判定においては、2
つの波形をフィルタを通してゼロクロスデータに変換
し、これらのデータの検出位相角を合わせておいて、フ
リップフロップなどにより一方のゼロクロスデータのエ
ッジで他方のゼロクロスデータの状態を検出する方法が
良く知られている。
【0003】図5、図6は上述のゼロクロスデータを用
いた位相判定原理の説明図である。すなわち、2つの波
形のゼロクロスデータS1,S2の位相比較に当たり、
図5のように一方のゼロクロスデータS2の立ち上がり
エッジで検出される他方のゼロクロスデータS1のレベ
ルが“1(High)”レベルであるときを検出条件とし、
図6のように一方のゼロクロスデータS2の立ち上がり
エッジで検出される他方のゼロクロスデータS1のレベ
ルが“0(Low)”レベルであるときを非検出条件とし
ている。なお、これらのゼロクロスデータのデューティ
比は、もとの波形が正弦波であれば50%となる。
【0004】そして、図5に示す検出条件のもとで、ゼ
ロクロスデータS1の“1”レベルが検出される期間で
は、ゼロクロスデータS1,S2間の位相角が所定の値
に保たれている(ゼロクロスデータS1の位相がゼロク
ロスデータS2より進んでいる)のを判定することがで
きる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかるに、正弦波に高
調波等が含まれることにより波形歪が生じている場合に
は、ゼロクロスデータのデューティ比が50%からずれ
てしまい、以下に述べるような不都合を生じる。例え
ば、図7は波形歪によりゼロクロスデータS2のデュー
ティ比が50%からずれている状態であり、その立ち上
がりエッジもずれて周期性を失っている。
【0006】このため、上記立ち上がりエッジによる検
出タイミングでは、ゼロクロスデータS1が“1”,
“0”の両レベルをとることになり、波形歪がなければ
“1”レベルとして検出されるべきゼロクロスデータS
1を“0”レベルとして誤検出してしまう場合があっ
た。従って、従来では位相判定の信頼性が低いという問
題があった。そこで本発明は、簡単な回路構成で信頼性
の高い位相判定を行えるようにした位相判定回路を提供
しようとするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項1記載の発明は、2つの波形の位相角が予め
設定された位相角に対して進みか遅れかを判定する位相
判定回路であって、前記2つの波形をそれぞれのゼロク
ロスデータに変換し、一方のゼロクロスデータのエッジ
を検出タイミングとして他方のゼロクロスデータの状態
を検出した結果に基づき前記2つの波形の位相角の進み
または遅れを判定する位相判定回路において、一方のゼ
ロクロスデータの立ち上がりエッジ及び立ち下がりエッ
ジを基準として検出タイミングを設定したものである。
【0008】 すなわち、具体的には、一方のゼロクロ
スデータの立ち上がりエッジを基準として他方のゼロク
ロスデータの状態を検出し、保持する手段と、一方のゼ
ロクロスデータの立ち下がりエッジを基準として他方の
ゼロクロスデータの状態を検出し、保持する手段と、こ
れら両方の手段により保持された他方のゼロクロスデー
タの状態からそのゼロクロスデータのデューティ比の変
化を検出する手段と、を備えたものである。
【0009】
【発明の実施の形態】以下、図に沿って本発明の実施形
態を説明する。図1はこの実施形態の構成を示す回路図
である。図において、FF1〜FF5はDフリップフロ
ップ(以下、単にフリップフロップという)、NOR1
〜NOR4はNORゲートである。ここで、フリップフ
ロップFF1は、フリップフロップFF2と同様のもの
が1パッケージに4個実装された素子であり、サンプリ
ングクロック入力CLKと、4つの入力D0〜D3と、
非反転出力及び反転出力の組を4組備えている。また、
フリップフロップFF2,FF3が1パッケージ、フリ
ップフロップFF4,FF5が1パッケージ、NORゲ
ートNOR1〜NOR4が1パッケージにそれぞれ実装
されている。
【0010】フリップフロップFF1の第1、第2の入
力D0,D1には、位相判定を行うべき2つの波形から
得たゼロクロスデータS1,S2がそれぞれ入力されて
いる。このフリップフロップFF1の第1の非反転出力
及び第1の反転出力は、それぞれフリップフロップFF
2,FF3の入力Dに加えられている。フリップフロッ
プFF1の第2の非反転出力は、フリップフロップFF
3のリセット入力R及びフリップフロップFF1の第3
の入力D2に加えられ、フリップフロップFF1の第2
の反転出力は、フリップフロップFF2のリセット入力
Rに加えられている。
【0011】フリップフロップFF1の第3の非反転出
力は、フリップフロップFF1の第4の入力D3及びフ
リップフロップFF2のクロック入力に加えられ、フリ
ップフロップFF1の第3の反転出力は、フリップフロ
ップFF3のクロック入力に加えられている。フリップ
フロップFF1の第4の非反転出力は、フリップフロッ
プFF4の入力Dと後述するNORゲートNOR1の一
方の入力に加えられ、フリップフロップFF1の第4の
反転出力は、後述するNORゲートNOR2の一方の入
力に加えられている。
【0012】フリップフロップFF2の反転出力及びフ
リップフロップFF3の反転出力は、NORゲートNO
R4の2入力に加えられている。また、フリップフロッ
プFF4の反転出力はNORゲートNOR1の他方の入
力に加えられていると共に、フリップフロップFF4の
非反転出力はNORゲートNOR2の他方の入力に加え
られている。
【0013】更に、NORゲートNOR1,NOR2の
出力はNORゲートNOR3の2入力に加えられ、その
出力はフリップフロップFF5にクロックとして入力さ
れている。このフリップフロップFF5の入力Dには前
記NORゲートNOR4の出力が加えられており、フリ
ップフロップFF5の非反転出力が位相判定データS3
となっている。なお、フリップフロップFF5のリセッ
ト入力Rは“0”レベルに保たれている。
【0014】この実施形態の動作を説明すると、まず位
相判定原理としては、図2に示すように一方のゼロクロ
スデータS2の立ち上がりエッジ及び立ち下がりエッジ
で他方のゼロクロスデータS1を参照することとする。
その際のゼロクロスデータS1のレベルに応じた位相判
定結果は図3に示すとおりである。この例では、ゼロク
ロスデータS1のもとになる波形に歪が生じており、こ
れによってゼロクロスデータS1のデューティ比に変化
が生じているものとする。
【0015】すなわち図3に示すように、この実施形態
では、S2の立ち上がり時、立ち下がり時のS1の状態
が“1”,“0”であれば検出領域、“0”,“1”で
あれば不検出領域、“1”,“1”または“0”,
“0”であれば波形歪発生領域として判定する。
【0016】図4は図1の実施形態の具体的動作を示す
タイミングチャートであり、この例も、波形歪によりゼ
ロクロスデータS1のデューティ比に変化が生じている
場合を示してある。図において、フリップフロップFF
3のリセット入力RはゼロクロスデータS2を1サンプ
リング期間(Ts)だけ遅らせたものであり、フリップ
フロップFF2のリセット入力RはフリップフロップF
F3のリセット入力Rを反転させた信号であるため、フ
リップフロップFF2,FF3は交互にリセットされ
る。ここで、上記サンプリング期間(Ts)は、フリッ
プフロップFF1のサンプリングクロックCLKの周期
である。
【0017】また、フリップフロップFF2は、フリッ
プフロップFF1から出力されるクロックにより、ゼロ
クロスデータS2を2サンプリング期間(2Ts)だけ
遅らせた立ち上がりエッジでゼロクロスデータS1(フ
リップフロップFF2の入力D)の状態をラッチする。
更に、フリップフロップFF3は、フリップフロップF
F1から出力されるクロックにより、ゼロクロスデータ
S2を2サンプリング期間(2Ts)だけ遅らせた立ち
下がりエッジでゼロクロスデータS1(フリップフロッ
プFF3の入力D)の状態をラッチする。
【0018】一方、フリップフロップFF5のクロック
(NORゲートNOR3の出力)は、ゼロクロスデータ
S2を3サンプリング期間(3Ts)だけ遅らせたタイ
ミングでNORゲートNOR4の出力(フリップフロッ
プFF5の入力D)をラッチするように出力される。な
お、サンプリングクロックCLKの周波数はゼロクロス
データS1,S2の周波数に比べて十分に高いため、タ
イミング上は、フリップフロップFF2,FF3がゼロ
クロスデータS2の立ち上がり及び立ち下がりでゼロク
ロスデータS1をラッチしていると考えて良い。
【0019】このように構成したことにより、ゼロクロ
スデータS2の立ち上がりをほぼ検出タイミングとして
ゼロクロスデータS1の状態をフリップフロップFF2
がラッチし、ゼロクロスデータS2の立ち下がりをほぼ
検出タイミングとしてゼロクロスデータS1の状態をフ
リップフロップFF3がラッチし、それぞれのデータを
フリップフロップFF5がラッチして位相判定データS
3として出力することになる。
【0020】従って、位相判定データS3をマイコン等
によって監視することにより、図4に示すようにゼロク
ロスデータS1のデューティ比が変化せずに正常である
状態の検出領域と、波形歪によりデューティ比が変化し
ている波形歪発生領域、更には、図示されていない不検
出領域とを確実に判定することができる。そして、上記
検出領域のデータに基づいてゼロクロスデータS1,S
2相互間の位相角が所定の位相角に対し進んでいるか遅
れているかを判別し、これらのデータS1,S2のもと
になった波形相互間の位相角を判別することが可能にな
る。
【0021】ここで、図4の下段に検出領域を実線と一
点鎖線とで示したのは、前述したようにサンプリングク
ロックCLKの周波数が高いことから両者を同一のもの
として考えることができることを意味している。これ
は、波形歪発生領域についても同様である。
【0022】なお、本発明は、例えば零相電圧と零相電
流との位相角が所定値(例えば135°)以上の場合に
は負荷側の地絡、そうでない場合は電源側の地絡と判定
して負荷側の地絡検出時に表示動作を行うようにした地
絡検出回路等に適用可能であり、図3に示した位相判定
の検出、不検出、波形歪発生の3モードのうちどの状態
であるかを判別することで、負荷側の地絡事故を確実に
検出することができる。また、これ以外にも、三相回路
における異相間の電圧同士または電流同士の異相判定に
おいて、三相機器の誤結線運転を防止するために被測定
回路の相順を監視するような場合など、様々な分野に適
用可能である。
【0023】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、位相判定
の対象となる2つの波形から得た2つのゼロクロスデー
タのうち、一方のゼロクロスデータの立ち上がり及び立
ち下がりを基準とした両方のタイミングで他方のゼロク
ロスデータの状態を検出するものである。
【0024】このため、他方のゼロクロスデータのもと
になる波形に歪がなくデューティ比が正常である場合に
は通常の検出領域のデータに基づいて位相判定を行い、
また、波形歪によりデューティ比が変化した場合にはそ
の歪発生領域を確実に判別して位相の誤検出を未然に防
止することができる。これにより、位相判定精度が大幅
に向上する。更に、回路構成が比較的簡単であるから、
低価格にて実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態を示す回路図である。
【図2】実施形態における位相判定原理の説明図であ
る。
【図3】実施形態における位相判定の態様の説明図であ
る。
【図4】実施形態の動作を説明するタイミングチャート
である。
【図5】従来の位相判定原理の説明図である。
【図6】従来の位相判定原理の説明図である。
【図7】本発明の解決課題の説明図である。
【符号の説明】
FF1〜FF5 Dフリップフロップ NOR1〜NOR4 NORゲート S1,S2 ゼロクロスデータ S3 位相判定データ

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 2つの波形の位相角が予め設定された位
    相角に対して進みか遅れかを判定する位相判定回路であ
    って、前記2つの波形をそれぞれのゼロクロスデータに
    変換し、一方のゼロクロスデータのエッジを検出タイミ
    ングとして他方のゼロクロスデータの状態を検出した結
    果に基づき前記2つの波形の位相角の進みまたは遅れを
    判定する位相判定回路において、 一方のゼロクロスデータの立ち上がりエッジを基準とし
    て他方のゼロクロスデータの状態を検出し、保持する手
    段と、 一方のゼロクロスデータの立ち下がりエッジを基準とし
    て他方のゼロクロスデータの状態を検出し、保持する手
    段と、 これら両方の手段により保持された他方のゼロクロスデ
    ータの状態からそのゼロクロスデータのデューティ比の
    変化を検出する手段と、 を備え たことを特徴とする位相判定回路。
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