KR20150015200A - 제로-크로싱 방식의 전원 주파수 검출장치 및 제로-크로싱 방식의 전원 주파수 검출방법 - Google Patents

제로-크로싱 방식의 전원 주파수 검출장치 및 제로-크로싱 방식의 전원 주파수 검출방법 Download PDF

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KR20150015200A
KR20150015200A KR1020130090942A KR20130090942A KR20150015200A KR 20150015200 A KR20150015200 A KR 20150015200A KR 1020130090942 A KR1020130090942 A KR 1020130090942A KR 20130090942 A KR20130090942 A KR 20130090942A KR 20150015200 A KR20150015200 A KR 20150015200A
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Abstract

본 발명은 제로-크로싱 방식의 전원 주파수 검출장치 및 제로-크로싱 방식의 전원 주파수 검출방법에 관한 것으로, 전압데이터쌍들의 좌표를 이용하여 단순한 수식을 적용하여 내분점들을 연산하고, 내분점들 각각의 오차에 따라 달리 설정되는 가중치를 반영하여 가중평균을 구하는 방식으로 전원 주파수를 도출함으로써, 샘플링 속도를 높이지 않으면서도 오차율을 낮출 수 있고, 낮은 스펙의 하드웨어 리소스 만으로 저전력 구동이 가능하다.

Description

제로-크로싱 방식의 전원 주파수 검출장치 및 제로-크로싱 방식의 전원 주파수 검출방법{DEVICE FOR MEASURING FREQUENCY OF POWER BASED ON ZERO-CROSSING AND METHOD FOR MEASURING FREQUENCY OF POWER BASED ON ZERO-CROSSING}
본 발명은 제로-크로싱 방식의 전원 주파수 검출장치 및 제로-크로싱 방식의 전원 주파수 검출방법에 관한 것이다.
전력량계는 전원과 연결되어 전력량을 계량하는 장치로써, 기계식 전력량계와 전자식 전력량계로 구분될 수 있다.
기계식 전력량계는 자계를 이용하여 전력량을 측정하고, 전자식 전력량계는 전원을 디지털 방식으로 계량한다.
과거에는 기계식 전력량계가 주로 사용되었으나, 점차 전자식 전력량계의 비중이 커지고 있는 추세이다.
전자식 전력량계에는 시스템 온 칩(System On Chip ; SOC)이 탑재되는데, 이 SOC는 전류 및 전압 데이터를 양자화하여 디지털 데이터로 변환하는 시그마-델타 ADC(analog to digital convertor), 전력량 계산을 하는 EMB(energy measurement block), 중앙 서버와의 양방향 통신을 위한 통신 모듈 등을 포함한다.
한편, 전원 주파수를 검출하는 방법에는 여러 가지가 있으나, 그중 제로-크로싱 방식이 널리 사용되고 있으며, 특허문헌1에는 제로-크로싱 방식의 주파수 검출 방식이 소개되어 있다.
제로 크로싱 방식은 ADC의 샘플링 속도에 따라 검출된 주파수와 실제 주파수 사이의 오차율이 달라진다. 즉, ADC의 샘플링 속도가 빠를 수록 오차율이 낮아지고, ADC의 샘플링 속도가 느릴 수록 오차율이 커지는 것이다.
따라서, 소정의 오차율 미만으로 전원 주파수를 검출하기 위해서는 ADC의 샘플링 속도가 일정 수준 이상이 되어야 한다. 그런데, ADC의 샘플링 속도를 증가시키면 제로-크로싱을 발생시키는 다른 노이즈 성분에 취약해질 뿐만 아니라, ADC의 크기 및 제조원가가 급증하게 된다는 문제점이 있었다.
대한민국공개특허 제2010-0063424호
상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 창안된 본 발명은 제로-크로싱 방식으로 전원 주파수를 검출함에 있어서, 별도의 하드웨어 추가 없이 단순한 연산과정을 통해 전원 주파수를 검출하되, 샘플링 편차에 따른 오차를 보정함으로써 전원 주파수 검출의 정확도를 향상시킬 수 있는 제로-크로싱 방식의 전원 주파수 검출장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 제로-크로싱 방식으로 전원 주파수를 검출함에 있어서, 별도의 하드웨어 추가 없이 단순한 연산과정을 통해 전원 주파수를 검출하되, 샘플링 편차에 따른 오차를 보정함으로써 전원 주파수 검출의 정확도를 향상시킬 수 있는 제로-크로싱 방식의 전원 주파수 검출방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 창안된 본 발명의 일실시예에 따른 제로-크로싱 방식의 전원 주파수 검출장치는 미리 정해진 샘플링 주파수로 샘플링된 전압데이터들의 제로-크로싱 여부를 검출하는 제로-크로싱 검출부; 상기 제로-크로싱 검출부와 연결되며, 상기 샘플링된 전압데이터들 중 각각의 제로-크로싱 포인트 직전에 위치하는 제1 전압데이터 및 상기 각각의 제로-크로싱 포인트 직후에 위치하는 제2 전압데이터로 이루어지는 전압데이터쌍들의 좌표를 저장하는 프로파일 저장부; 상기 프로파일 저장부와 연결되며, 상기 전압데이터쌍들 각각의 상기 제1 전압데이터와 상기 제2 전압데이터를 연결하는 직선과 전압값이 0인 직선의 교점인 내분점들의 좌표를 연산하는 내분점 연산부; 상기 내분점 연산부와 연결되며, 상기 각각의 제로-크로싱 포인트들 사이의 간격들로 상기 샘플링 주파수를 각각 나누어 제1 주파수들을 도출하는 제1 주파수 연산부; 상기 프로파일 저장부와 연결되며, 상기 각각의 제로-크로싱 포인트 직전 및 직후에 위치하는 전압데이터의 전압값 편차의 변화량에 반비례되도록 결정되는 가중치들 각각을 설정하는 가중치 설정부; 및 상기 제1 주파수 연산부 및 상기 가중치 설정부와 연결되며, 상기 제1 주파수들 각각에 상기 가중치들 각각을 곱한 값의 평균을 연산하여 제2 주파수를 연산하는 제2 주파수 연산부;를 포함하되, 상기 제로-크로싱 포인트는, 상기 전압데이터의 전압값이 음수에서 양수로 바뀌는 지점만으로 정의되거나, 상기 전압데이터의 전압값이 양수에서 음수로 바뀌는 지점만으로 정의되는 것일 수 있다.
이때, 상기 가중치 설정부는, 상기 프로파일 저장부와 연결되며, 상기 각각의 제로-크로싱 포인트 직전 및 직후에 위치하는 전압데이터의 전압값 편차들을 연산하는 편차 연산부; 및 상기 편차 연산부와 연결되며, 상기 편차 연산부에서 연산된 각각의 전압값 편차들 사이의 차이에 반비례되는 값을 연산하여 상기 가중치로 결정하는 가중치 연산부;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제로-크로싱 검출부는 n(n은 2보다 큰 자연수)개의 제로-크로싱 여부를 검출하고, 상기 샘플링된 전압데이터들 중 각각의 제로-크로싱 포인트 직전 및 직후에 위치하는 전압데이터들의 좌표는 (x1,y1), (x2,y2) 내지 (x2n-1,y2n-1), (x2n,y2n) 형식으로 상기 프로파일 저장부에 저장되며, x축은 일정한 간격으로 증가하는 카운팅값, y축은 전압값을 의미하고, x좌표는 전압데이터들이 샘플링된 시점의 카운팅값을 의미하며, 상기 내분점 연산부는, 상기 내분점 좌표 중 i번째 x좌표인 zxi를 하기 수학식1에 의하여 연산하고, 이때, 상기 내분점 좌표 중 y좌표는 0일 수 있다.
<수학식 1>
Figure pat00001

또한, 상기 제1 주파수 연산부는, 상기 제1 주파수 중 i번째 제1 주파수인 fi을 하기 수학식 2에 의하여 연산하고, 이때, Fs는 샘플링 주파수이며, 상기 제2 주파수 연산부는, 상기 제1 주파수들 각각에 상기 가중치를 반영한 값들의 평균값으로 제2 주파수를 연산하는 것일 수 있다.
<수학식 2>
Figure pat00002

또한, 상기 편차 연산부는, i번째 전압값 편차인 di을 하기 수학식 3에 의하여 연산하고,
<수학식 3>
Figure pat00003

상기 가중치 연산부는, i번째 가중치인 mi을 하기 수학식 4에 의하여 연산하며,
<수학식 4>
Figure pat00004

상기 제2 주파수 연산부는, 상기 제2 주파수 F를 하기 수학식 5에 의하여 연산하는 것일 수 있다.
<수학식 5>
Figure pat00005

본 발명의 일실시예에 따른 제로-크로싱 방식의 전원 주파수 검출방법은, (A) 미리 정해진 샘플링 주파수로 샘플링된 전압데이터들의 제로-크로싱 여부를 검출하는 단계; (B) 상기 샘플링된 전압데이터들 중 각각의 제로-크로싱 포인트 직전에 위치하는 제1 전압데이터 및 상기 각각의 제로-크로싱 포인트 직후에 위치하는 제2 전압데이터로 이루어지는 전압데이터쌍들의 좌표를 저장하는 단계; (C) 상기 (B) 단계에서 저장된 전압데이터쌍들 각각의 상기 제1 전압데이터와 상기 제2 전압데이터를 연결하는 직선과 전압값이 0인 직선의 교점인 내분점들의 좌표를 연산하는 단계; (D1) 상기 내분점들의 좌표를 이용하여 제1 주파수들을 도출하는 단계; (D1') 상기 (B) 단계에서 저장된 전압데이터쌍들 각각의 제1 전압데이터와 제2 전압데이터 사이의 전압값 편차의 변화량에 반비례되도록 결정되는 가중치들 각각을 설정하는 단계; 및 (E) 상기 (D1) 단계에서 도출된 상기 제1 주파수들 각각에 상기 (D1') 단계에서 도출된 상기 가중치들을 각각 적용하여 가중평균함으로써 제2 주파수를 연산하는 단계;를 포함하되, 상기 제로-크로싱 포인트는, 상기 전압데이터의 전압값이 음수에서 양수로 바뀌는 지점만으로 정의되거나, 상기 전압데이터의 전압값이 양수에서 음수로 바뀌는 지점만으로 정의되는 것일 수 있다.
이때, 상기 (A) 단계는, n(n은 2보다 큰 자연수)개의 제로-크로싱 여부를 검출하는 것이고, 상기 (B) 단계는, 상기 전압데이터들의 좌표를 (x1,y1), (x2,y2) 내지 (x2n-1,y2n-1), (x2n,y2n) 형식으로 저장하되, x축은 일정한 간격으로 증가하는 카운팅값, y축은 전압값을 의미하고, x좌표는 전압데이터들이 샘플링된 시점의 카운팅값을 의미하며, 상기 (D1') 단계는, 상기 (B) 단계에서 저장된 전압데이터들 중 i번째 전압값 편차인 di을 하기 수학식 3에 의하여 연산하고,
<수학식 3>
Figure pat00006

하기 수학식 4에 의하여 i번째 가중치 mi을 연산하는 것일 수 있다.
<수학식 4>
Figure pat00007

또한, 상기 (C) 단계는, 상기 내분점 좌표 중 i번째 x좌표인 zxi를 하기 수학식 1에 의하여 연산하는 것일 수 있다.
<수학식 1>
Figure pat00008

또한, 상기 (D1) 단계는, 상기 제1 주파수 중 i번째 제1 주파수인 fi을 하기 수학식 2에 의하여 연산하되, 상기 Fs는 상기 샘플링 주파수일 수 있다.
<수학식 2>
Figure pat00009

또한, 상기 (E) 단계는, 상기 제2 주파수 F를 하기 수학식 5에 의하여 연산하는 것일 수 있다.
<수학식 5>
Figure pat00010
이상과 같이 구성된 본 발명은 제로-크로싱 방식으로 전원 주파수를 검출함에 있어서, ADC의 샘플링 속도를 높이지 않으면서도 오차율을 낮출 수 있고, 더 나아가 종래보다 연산과정이 단순화 될 수 있으므로 하드웨어 리소스를 상대적으로 낮은 스펙으로 구현할 수 있으며, 전원 주파수 연산과정에서 소모되는 전력 또한 감소시킬 수 있다는 유용한 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 제로-크로싱 방식의 전원 주파수 검출장치를 개략적으로 예시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 제로-크로싱 방식의 전원 주파수 검출장치의 전원 주파수 검출원리를 설명하기 위한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 제로-크로싱 방식의 전원 주파수 검출장치에서 내분점과 실제 제로-크로싱 포인트의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 제로-크로싱 방식의 전원 주파수 검출장치의 가중치 설정부 구성을 개략적으로 예시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 제로-크로싱 방식의 전원 주파수 검출방법을 개략적으로 예시한 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 제로-크로싱 방식의 전원 주파수 검출방법 중 주요부분을 개략적으로 예시한 순서도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 기술 등은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 더불어, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공될 수 있다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어들은 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
도시의 간략화 및 명료화를 위해, 도면은 일반적 구성 방식을 도시하고, 본 발명의 설명된 실시예의 논의를 불필요하게 불명료하도록 하는 것을 피하기 위해 공지된 특징 및 기술의 상세한 설명은 생략될 수 있다. 부가적으로, 도면의 구성요소는 반드시 축척에 따라 그려진 것은 아니다. 예컨대, 본 발명의 실시예의 이해를 돕기 위해 도면의 일부 구성요소의 크기는 다른 구성요소에 비해 과장될 수 있다. 서로 다른 도면의 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 나타내고, 유사한 참조부호는 반드시 그렇지는 않지만 유사한 구성요소를 나타낼 수 있다.
명세서 및 청구범위에서 "제 1", "제 2", "제 3" 및 "제 4" 등의 용어는, 만약 있는 경우, 유사한 구성요소 사이의 구분을 위해 사용되며, 반드시 그렇지는 않지만 특정 순차 또는 발생 순서를 기술하기 위해 사용된다. 그와 같이 사용되는 용어는 여기에 기술된 본 발명의 실시예가, 예컨대, 여기에 도시 또는 설명된 것이 아닌 다른 시퀀스로 동작할 수 있도록 적절한 환경하에서 호환 가능한 것이 이해될 것이다. 마찬가지로, 여기서 방법이 일련의 단계를 포함하는 것으로 기술되는 경우, 여기에 제시된 그러한 단계의 순서는 반드시 그러한 단계가 실행될 수 있는 순서인 것은 아니며, 임의의 기술된 단계는 생략될 수 있고/있거나 여기에 기술되지 않은 임의의 다른 단계가 그 방법에 부가 가능할 것이다.
명세서 및 청구범위의 "왼쪽", "오른쪽", "앞", "뒤", "상부", "바닥", "위에", "아래에" 등의 용어는, 만약 있다면, 설명을 위해 사용되는 것이며, 반드시 불변의 상대적 위치를 기술하기 위한 것은 아니다. 그와 같이 사용되는 용어는 여기에 기술된 본 발명의 실시예가, 예컨대, 여기에 도시 또는 설명된 것이 아닌 다른 방향으로 동작할 수 있도록 적절한 환경하에서 호환 가능한 것이 이해될 것이다. 여기서 사용된 용어 "연결된"은 전기적 또는 비 전기적 방식으로 직접 또는 간접적으로 접속되는 것으로 정의된다. 여기서 서로 "인접하는" 것으로 기술된 대상은, 그 문구가 사용되는 문맥에 대해 적절하게, 서로 물리적으로 접촉하거나, 서로 근접하거나, 서로 동일한 일반적 범위 또는 영역에 있는 것일 수 있다. 여기서 "일 실시예에서"라는 문구의 존재는 반드시 그런 것은 아니지만 동일한 실시예를 의미한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 작용효과를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 제로-크로싱 방식의 전원 주파수 검출장치(100)를 개략적으로 예시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 제로-크로싱 방식의 전원 주파수 검출장치(100)의 전원 주파수 검출원리를 설명하기 위한 그래프이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 제로-크로싱 방식의 전원 주파수 검출장치(100)에서 내분점과 실제 제로-크로싱 포인트의 관계를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 제로-크로싱 방식의 전원 주파수 검출장치(100)의 가중치 설정부(150) 구성을 개략적으로 예시한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 제로-크로싱 방식의 전원 주파수 검출장치(100)는, 제로-크로싱 검출부(110), 프로파일 저장부(120), 내분점 연산부(130), 제1 주파수 연산부(140), 가중치 설정부(150) 및 제2 주파수 연산부(160)를 포함할 수 있다.
제로-크로싱 검출부(110)는 샘플링된 전압데이터들의 제로-크로싱 여부를 검출하고, 프로파일 저장부(120)는 제로-크로싱 검출부(110)에서 검출된 제로-크로싱 포인트 직전 및 직후에 각각 위치하는 전압데이터들의 좌표를 저장한다.
즉, 전원전압을 소정의 주파수로 샘플링하면 도 2에 예시된 바와 같은 전압데이터들이 샘플링될 수 있으며, 이렇게 샘플링된 전압데이터들을 연결한 곡선이 전압값이 0인 직선을 교차하는 지점이 제로-크로싱 포인트가 된다. 여기서, 샘플링된 전압데이터들을 연결한 곡선과 전압값이 0인 직선을 교차하는 점을 정확하게 도출할 수는 없기 때문에, 샘플링된 전압데이터들 중 제로-크로싱 포인트 직전 및 직후에 위치하는 전압데이터쌍(PS)들을 저장하게 된다. 이때, 제로-크로싱 여부를 검출하는 방법은 샘플링된 전압데이터의 전압값이 음수에서 양수로 변환되거나 양수에서 음수로 변환되는 지점을 검출하는 방식으로 구현될 수 있다.
도 2를 참조하면, (x1, y1)과 (x2, y2) 사이에 제로-크로싱 포인트가 존재함을 이해할 수 있을 것이다. 여기서 (x1, y1) 좌표로 정의되는 전압데이터를 제1 전압데이터(S1), (x2, y2) 좌표로 정의되는 전압데이터를 제2 전압데이터(S2)로 칭할 수 있다. 이에 따라, 제1 전압데이터(S1)는 샘플링된 전압데이터들 중 제로-크로싱 포인트 직전에 위치하는 전압데이터가 되고, 제2 전압데이터(S2)는 샘플링된 전압데이터들 중 제로-크로싱 포인트 직후에 위치하는 전압데이터가 될 수 있는 것이다.
또한, 제1 전압데이터(S1)와 제2 전압데이터(S2)를 묶은 쌍을 전압데이터쌍(PS)이라고 칭할 수 있다.
이러한 전압데이터쌍(PS)은 샘플링된 전압데이터가 이루는 곡선에서 한 주기 간격으로 검출되어 저장될 수 있다.
즉, 제로-크로싱 포인트를 전압데이터의 전압값이 음수에서 양수로 바뀌는 지점으로 정의함으로써 한 주기 간격으로 전압데이터쌍(PS)을 검출 및 저장 할 수 있는 것이다. 다만, 전압값이 양수에서 음수로 바뀌는 지점을 제로-크로싱 포인트로 정의해도 동일한 결과를 얻을 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
다시 도 2를 참조하면, 제로-크로싱 포인트를 n개 검출하면 n개의 전압데이터쌍(PS)이 프로파일 저장부(120)에 저장될 수 있다.
즉, 전압데이터들의 좌표는 (x1,y1), (x2,y2) 내지 (x2n-1,y2n-1), (x2n,y2n) 형식으로 상기 프로파일 저장부(120)에 저장될 수 있는 것이다.
여기서, x축은 일정한 간격으로 증가하는 카운팅값, y축은 전압값을 의미하고, x좌표는 전압데이터들이 샘플링된 시점의 카운팅값을 의미할 수 있다. 즉, 본 발명의 일실시예에 따른 제로-크로싱 방식의 전원 주파수 검출장치(100)는, 크리스털 또는 오실레이터 등의 클럭 발생기로부터 클럭 신호를 제공받아 전압데이터가 샘플링된 시점을 클럭 신호의 카운팅 값으로 식별할 수 있다. 예컨데, 도 2의 x축은 샘플링을 시작하는 시점 부터 클럭 신호를 누적연산한 횟수, 즉 카운팅값을 의미할 수 있으며, (x1, y1)은 (64회, -0.1V) 등이 될 수 있는 것이다.
이렇게 전압데이터쌍(PS)들의 좌표가 얻어지면, 이들 전압데이터쌍(PS)들의 내분점을 연산할 수 있다.
도 3을 참조하면, 내분점은 제1 전압데이터(S1)와 제2 전압데이터(S2)를 연결하는 가상의 직선과 전압값이 0인 직선이 교차하는 점을 의미하는 것임을 이해할 수 있을 것이다.
한편, 내분점 연산부(130)는 프로파일 저장부(120)에 저장된 전압데이터쌍(PS)들의 좌표를 이용하여 내분점 좌표를 연산하는 기능을 수행할 수 있다.
또한, 내분점의 좌표는 하기 수학식 1을 이용하여 도출될 수 있다.
Figure pat00011
이때, zxi 는 i 번째 내분점의 x좌표이고, 모든 내분점의 y좌표는 0이 된다.
다음으로, 제1 주파수 연산부(140)는 이렇게 연산된 내분점의 좌표를 이용하여 제1 주파수를 연산하는 기능을 수행할 수 있다.
이때, i번째 제1 주파수인 fi는 하기의 수학식 2에 의하여 연산될 수 있다.
Figure pat00012
여기서, Fs는 전술한 바와 같이 샘플링 주파수를 의미한다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 내분점zxi과 실제 제로-크로싱 포인트 zi는 차이가 있는 바, 내분점만 이용해서 전원 주파수를 도출할 경우 오차가 존재할 수 있다.
이러한 오차를 감소시키기 위하여 본 발명의 일실시예에 따른 제로-크로싱 방식의 전원 주파수 검출장치(100)는 가중치 설정부(150) 및 제2 주파수 연산부(160)를 구비한다.
먼저, 가중치 설정부(150)는 프로파일 저장부(120)에 저장된 전압데이터쌍(PS)들의 좌표를 이용하여 가중치를 도출하는 기능을 수행한다.
즉, 전압데이터쌍(PS)들을 이용하여 내분점을 연산하는 바, 이렇게 연산된 내분점과 실제 제로-크로싱 포인트 사이의 오차가 크다면 해당 내분점은 전원 주파수를 연산함에 있어 낮은 가중치를 가지고 반영되도록 하고, 반대로 오차가 작다면 해당 내분점은 전원 주파수를 연산함에 있어서 높은 가중치를 가지고 반영되도록 하는 것이다.
이렇게, 실제 제로-크로싱 포인트와 내분점 사이의 오차를 비교하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 제로-크로싱 방식의 전원 주파수 검출장치(100)는 전압데이터쌍(PS)의 전압값 편차를 활용한다.
즉, 전압값 편차가 큰 전압데이터쌍(PS)은 실제 제로-크로싱 포인트와 내분점 사이의 오차가 클 수 있다는 점을 활용하여 가중치를 결정할 수 있다는 것이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 제로-크로싱 방식의 전원 주파수 검출장치(100)의 가중치 설정부(150)는 편차 연산부(151) 및 가중치 연산부(152)로 이루어질 수 있다.
먼저, 편차 연산부(151)는 전압데이터쌍(PS)을 이루는 제1 전압데이터(S1)와 제2 전압데이터(S2)의 전압값 편차를 연산하며, 이때, 수학식 3이 적용될 수 있다.
Figure pat00013
여기서, di는 i번째 전압값 편차를 의미한다.
다음으로, 가중치 연산부(152)는, i번째 가중치인 mi을 하기 수학식 4에 의하여 연산할 수 있다.
Figure pat00014
이렇게 가중치가 설정되면, 전술한 제1 주파수에 가중치를 반영하여 제2 주파수를 구할 수 있으며, 제2 주파수는 제2 주파수 연산부(160)에서 연산될 수 있다.
여기서, 제2 주파수 연산부(160)는 전원 주파수 F를 연산하기 위하여 수학식 5를 활용할 수 있다.
Figure pat00015
전술한 바와 같이, 샘플링 주파수 Fs가 클 수록 샘플링된 전압데이터를 연결하는 선이 실제 전원전압의 파형과 가까워지며, 전원 주파수 검출의 오차가 감소될 수 있다.
그러나, 전술한 바와 같이 샘플링 주파수를 증가시킬수록 노이즈의 영향이 증가되어 제로-크로싱 포인트 검출의 오차율이 높아질 수 있다.
또한, 샘플링 주파수를 증가시키기 위해서는 ADC의 해상도가 높아져야 하는 바, 제조원가가 상승할 뿐만 아니라, ADC가 차지하는 면적 또한 그만큼 증가하게 되는 문제가 발생하게 된다.
이러한 노이즈의 영향을 감소시키기 위하여 로우-패스 필터(Low-pass Filter;LPF)를 구비할 수도 있지만, LPF 만으로는 샘플링 주파수의 증가에 따른 문제를 해결하는 데에는 한계가 있었다.
또한, 특허문헌1 등에 개시된 전원 주파수 도출방식은 다수의 변수로 이루어지는 이차방정식을 이용하여 전원 주파수 연산의 오차를 감소하고 있는 바, 이러한 연산을 수행하여 전원 주파수를 연산하는 과정에서 연산장치가 상당한 전력을 소모할 수 있다. 또한, 특허문헌1에 개시된 수학식들은 튜닝값들에 의존하고 있는 바, 동작환경이 달라지면 다시 튜닝을 해야 정확한 전원 주파수를 연산할 수 있게 되므로 효율성이 낮다.
그러나, 전술한 바와 같이 구성되는 본 발명의 일실시예에 따른 제로-크로싱 방식의 전원 주파수 검출장치(100)는, 전압데이터쌍(PS)들의 좌표를 이용하여 단순한 수식만을 적용하여 내분점들을 연산하고, 이 내분점들을 이용하여 전원 주파수를 도출할 수 있으므로 연산장치가 스펙이 높은 하드웨어로 구현될 필요가 없다.
또한, 실제 제로-크로싱 포인트와 내분점들 각각의 오차에 따라 달리 설정되는 가중치를 반영하여 가중평균을 구하는 방식을 적용함으로써 샘플링 주파수를 상대적으로 낮게 하더라도 비교적 정확한 전원 주파수를 도출할 수 있게 되는 것이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 제로-크로싱 방식의 전원 주파수 검출방법을 개략적으로 예시한 순서도이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 제로-크로싱 방식의 전원 주파수 검출방법 중 주요부분을 개략적으로 예시한 순서도이다.
도 5 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 제로-크로싱 방식의 전원 주파수 검출방법은, 제로-크로싱 여부를 검출하는 단계, 전압데이터쌍(PS)들의 좌표를 저장하는 단계, 내분점들의 좌표를 연산하는 단계, 제1 주파수들을 도출하는 단계, 가중치를 설정하는 단계, 및 제2 주파수를 연산하는 단계를 포함할 수 있다.
먼저, 미리 정해진 샘플링 주기 Fs기로 전압데이터가 샘플링되면(S110), 제로-크로싱 여부를 검출하고(S120), 제로-크로싱 포인트 직전 및 직후에 위치하는 전압데이터들의 좌표를 저장한다(S130). 여기서, 제로-크로싱 포인트 직전에 위치하는 전압데이터를 제1 전압데이터(S1)로 칭하고, 제로-크로싱 포인트 직후에 위치하는 전압데이터를 제2 전압데이터(S2)로 칭할 수 있으며, 동일한 제로-크로싱 포인트의 직전 및 직후에 각각 위치하는 제1 전압데이터(S1)와 제2 전압데이터(S2)를 묶어 전압데이터쌍(PS)이라고 칭할 수 있다.
다음으로, 전압데이터들의 좌표를 이용하여 내분점들의 좌표를 연산한다(S140). 그리고, 연산된 내분점들의 좌표를 이용하여 제1 주파수들을 도출한다(S150). 그리고, 제1 주파수들에 가중치를 적용하여 가중평균을 수행함으로써 제2 주파수를 도출한다(S160).
이러한 가중치들은 전압데이터들의 좌표로부터 전압값 편차를 연산하고(S140'), 연산된 전압값 편차들의 차이값의 절대값으로 결정될 수 있다(S150').
한편, 이상에서 설명한 내분점 연산, 제1 주파수 도출, 전압값 편차 연산, 가중치 연산 및 제2 주파수 도출 과정에는 전술한 수학식 1 내지 5가 적용될 수 있다.
100 : 제로-크로싱 방식의 전원 주파수 검출장치
110 : 제로-크로싱 검출부
120 : 프로파일 저장부
130 : 내분점 연산부
140 : 제1 주파수 연산부
150 : 가중치 설정부
151 : 편차 연산부
152 : 가중치 연산부
160 : 제2 주파수 연산부
PS : 전압데이터쌍
S1 : 제1 전압데이터
S2 : 제2 전압데이터

Claims (10)

  1. 미리 정해진 샘플링 주파수로 샘플링된 전압데이터들의 제로-크로싱 여부를 검출하는 제로-크로싱 검출부;
    상기 제로-크로싱 검출부와 연결되며, 상기 샘플링된 전압데이터들 중 각각의 제로-크로싱 포인트 직전에 위치하는 제1 전압데이터 및 상기 각각의 제로-크로싱 포인트 직후에 위치하는 제2 전압데이터로 이루어지는 전압데이터쌍들의 좌표를 저장하는 프로파일 저장부;
    상기 프로파일 저장부와 연결되며, 상기 전압데이터쌍들 각각의 상기 제1 전압데이터와 상기 제2 전압데이터를 연결하는 직선과 전압값이 0인 직선의 교점인 내분점들의 좌표를 연산하는 내분점 연산부;
    상기 내분점 연산부와 연결되며, 상기 각각의 제로-크로싱 포인트들 사이의 간격들로 상기 샘플링 주파수를 각각 나누어 제1 주파수들을 도출하는 제1 주파수 연산부;
    상기 프로파일 저장부와 연결되며, 상기 각각의 제로-크로싱 포인트 직전 및 직후에 위치하는 전압데이터의 전압값 편차의 변화량에 반비례되도록 결정되는 가중치들 각각을 설정하는 가중치 설정부; 및
    상기 제1 주파수 연산부 및 상기 가중치 설정부와 연결되며, 상기 제1 주파수들 각각에 상기 가중치들 각각을 곱한 값의 평균을 연산하여 제2 주파수를 연산하는 제2 주파수 연산부;
    를 포함하되, 상기 제로-크로싱 포인트는, 상기 전압데이터의 전압값이 음수에서 양수로 바뀌는 지점만으로 정의되거나, 상기 전압데이터의 전압값이 양수에서 음수로 바뀌는 지점만으로 정의되는 것을 특징으로 하는
    제로-크로싱 방식의 전원 주파수 검출장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 가중치 설정부는,
    상기 프로파일 저장부와 연결되며, 상기 각각의 제로-크로싱 포인트 직전 및 직후에 위치하는 전압데이터의 전압값 편차들을 연산하는 편차 연산부; 및
    상기 편차 연산부와 연결되며, 상기 편차 연산부에서 연산된 각각의 전압값 편차들 사이의 차이에 반비례되는 값을 연산하여 상기 가중치로 결정하는 가중치 연산부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는
    제로-크로싱 방식의 전원 주파수 검출장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제로-크로싱 검출부는 n(n은 2보다 큰 자연수)개의 제로-크로싱 여부를 검출하고,
    상기 샘플링된 전압데이터들 중 각각의 제로-크로싱 포인트 직전 및 직후에 위치하는 전압데이터들의 좌표는 (x1,y1), (x2,y2) 내지 (x2n-1,y2n-1), (x2n,y2n) 형식으로 상기 프로파일 저장부에 저장되며, x축은 일정한 간격으로 증가하는 카운팅값, y축은 전압값을 의미하고, x좌표는 전압데이터들이 샘플링된 시점의 카운팅값을 의미하며,
    상기 내분점 연산부는, 상기 내분점 좌표 중 i번째 x좌표인 zxi를 하기 수학식1
    <수학식 1>
    Figure pat00016

    에 의하여 연산하고,
    상기 내분점 좌표 중 y좌표는 0인 것을 특징으로 하는
    제로-크로싱 방식의 전원 주파수 검출장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 주파수 연산부는, 상기 제1 주파수 중 i번째 제1 주파수인 fi을 하기 수학식 2
    <수학식 2>
    Figure pat00017

    에 의하여 연산하고, Fs는 샘플링 주파수이며,
    상기 제2 주파수 연산부는, 상기 제1 주파수들 각각에 상기 가중치를 반영한 값들의 평균값으로 제2 주파수를 연산하는 것을 특징으로 하는
    제로-크로싱 방식의 전원 주파수 검출장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 편차 연산부는, i번째 전압값 편차인 di을 하기 수학식 3
    <수학식 3>
    Figure pat00018

    에 의하여 연산하고,
    상기 가중치 연산부는, i번째 가중치인 mi을 하기 수학식 4
    <수학식 4>
    Figure pat00019

    에 의하여 연산하며,
    상기 제2 주파수 연산부는, 상기 제2 주파수 F를 하기 수학식 5
    <수학식 5>
    Figure pat00020

    에 의하여 연산하는 것을 특징으로 하는
    제로-크로싱 방식의 전원 주파수 검출장치.
  6. (A) 미리 정해진 샘플링 주파수로 샘플링된 전압데이터들의 제로-크로싱 여부를 검출하는 단계;
    (B) 상기 샘플링된 전압데이터들 중 각각의 제로-크로싱 포인트 직전에 위치하는 제1 전압데이터 및 상기 각각의 제로-크로싱 포인트 직후에 위치하는 제2 전압데이터로 이루어지는 전압데이터쌍들의 좌표를 저장하는 단계;
    (C) 상기 (B) 단계에서 저장된 전압데이터쌍들 각각의 상기 제1 전압데이터와 상기 제2 전압데이터를 연결하는 직선과 전압값이 0인 직선의 교점인 내분점들의 좌표를 연산하는 단계;
    (D1) 상기 내분점들의 좌표를 이용하여 제1 주파수들을 도출하는 단계;
    (D1') 상기 (B) 단계에서 저장된 전압데이터쌍들 각각의 제1 전압데이터와 제2 전압데이터 사이의 전압값 편차의 변화량에 반비례되도록 결정되는 가중치들 각각을 설정하는 단계; 및
    (E) 상기 (D1) 단계에서 도출된 상기 제1 주파수들 각각에 상기 (D1') 단계에서 도출된 상기 가중치들을 각각 적용하여 가중평균함으로써 제2 주파수를 연산하는 단계;
    를 포함하되, 상기 제로-크로싱 포인트는, 상기 전압데이터의 전압값이 음수에서 양수로 바뀌는 지점만으로 정의되거나, 상기 전압데이터의 전압값이 양수에서 음수로 바뀌는 지점만으로 정의되는 것을 특징으로 하는
    제로-크로싱 방식의 전원 주파수 검출방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 (A) 단계는, n(n은 2보다 큰 자연수)개의 제로-크로싱 여부를 검출하는 것이고,
    상기 (B) 단계는, 상기 전압데이터들의 좌표를 (x1,y1), (x2,y2) 내지 (x2n-1,y2n-1), (x2n,y2n) 형식으로 저장하되, x축은 일정한 간격으로 증가하는 카운팅값, y축은 전압값을 의미하고, x좌표는 전압데이터들이 샘플링된 시점의 카운팅값을 의미하며,
    상기 (D1') 단계는,
    상기 (B) 단계에서 저장된 전압데이터들 중 i번째 전압값 편차인 di을 하기 수학식 3
    <수학식 3>
    Figure pat00021

    에 의하여 연산하고,
    하기 수학식 4
    <수학식 4>
    Figure pat00022

    에 의하여 i번째 가중치 mi을 연산하는 것을 특징으로 하는
    제로-크로싱 방식의 전원 주파수 검출방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 (C) 단계는, 상기 내분점 좌표 중 i번째 x좌표인 zxi를 하기 수학식 1
    <수학식 1>
    Figure pat00023

    에 의하여 연산하는 것을 특징으로 하는
    제로-크로싱 방식의 전원 주파수 검출방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 (D1) 단계는, 상기 제1 주파수 중 i번째 제1 주파수인 fi을 하기 수학식 2에 의하여 연산하되,
    <수학식 2>
    Figure pat00024

    상기 Fs는 상기 샘플링 주파수인 것을 특징으로 하는
    제로-크로싱 방식의 전원 주파수 검출방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 (E) 단계는, 상기 제2 주파수 F를 하기 수학식 5
    <수학식 5>
    Figure pat00025

    에 의하여 연산하는 것을 특징으로 하는
    제로-크로싱 방식의 전원 주파수 검출방법.
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