邱序福（厦门科华恒盛股份有限公司，福建 厦门 361008）

交流电源过零点检测的新方法

邱序福
（厦门科华恒盛股份有限公司，福建 厦门 361008）

交流电源过零点检测是当前技术中应用的一种常见方法，它用于测定交流电源的频率、电压的反相点，以及检测交流电源过零点的具体时间。精确检测交流电源过零点的检测，对于以交流电为能源的机械设备控制来说十分重要。本文简单介绍了传统的交流电源过零点检测方法，分析了它们的优缺点，并提出一种新型的光耦过零点检测方法。

交流电源；过零点检测；新方法

1 引言

过零点检测是交流电源控制技术中的一种常见方法，即通过相关系统，检测出交流电波形从正半周向负半周转换“过零”的具体时刻。具体来说其基本原理是在核心的微处理芯片中建立一套标准，在交流电正弦波的正半周输出一个确定值，在交流电正弦波的负半周输出另一个确定的值，这样当输入的交流电正弦波连续变化时，经过核心微处理芯片就在输出端调制成了一个方波，通过在示波器上显示就可以确定正弦波零点出现的位置。最小单元的过零点检测器可有比较器构成，如图1所示。过零检测有两种方案，一种是变压器隔离方案，这种方案经济便宜，但精度不高，体积过于庞大。另一种方案是光耦隔离的方案，这种方案虽然价格更高，但有着精度高，体积小，灵敏度高的特点。交流电源的过零点检测对于电机的控制十分重要，这是由于电机高、中、低、微转速是由导通时间决定的，而导通角是由导通时间从零电压开始计时所表征的，因而不同导通角就反应了电机不同的转速。

2 对传统检测电路不足的分析

2.1易受市电电压不稳定，波动与背景噪声大的干扰

国家电网十分庞大，某处的微小波动，可能就会不断放大，造成另一处电压较大的变化。这就会导致输入信号在零点处无法稳定在固定值，会出现多过零现象，这样实际测量中基波零点和提取的零点误差会比较大。

2.2 零点附近的正弦波整形容易出现误动作

单片机是正弦波整形中一般都要用到的芯片，它价格便宜，使用方便，应用领域十分广泛。具体在工作过程中，如果是单片机信号处理中，如果检测到梯形波下降沿，表示获取过零点时刻。但很明显，此时和真正的零点存在一定误差，即有适当提前。因此，如果需要准确触发动作，则传统的整形波是不符合精度要求的。

2.3 运放模块自身稳定性及过零比较器存在相位误差

运放具有价格低廉的优势，但是由运放构成的过零比较器的运放之间不可能完全匹配，会存在相位误差。另外在工作过程中，器件必然要发热，温度的漂移会使输入失调，会影响运放性能稳定性，也会造成过零点检测精度下降。

2.4 光耦过零点反应速度不理想，上升沿转换时间拉长

光耦上升沿和下降沿的转换时间为120us上下。在对反应要求不高的应用中，这样的转换时间可以满足要求，但是在要求比较高的场合中，如应用于通信中的，该反应时间将严重影响通信质量。也就是说，在120μs以内系统都判定经过了零点，这就表明其实是存在着120μs的时间误差。

3 交流电源过零点检测的新方法及应用

针对传统过零点检测方法存在的弊端，可以考虑通过算法、电路两个角度对传统方法进行改进，从而形成新的过零点检测新方法，该方法可以提升检测精度，主要原理是通过光耦过零点思路进行的。

3.1 电路设计模式

该新方法所用电路大致可以分为四个部分，放大电路，单光耦，微处理器和限幅电路。如图2所示。

3.2 对电路设计的改进

3.2.1 增加限幅电路。限幅电路主要作用一是对整体模块起保护作用，防止差模电压过大导致运放损坏。二是减小输入电压使正负电源电压在有限的供电范围内输出电压均不会失真，这里，信号顶部和底部被截不影响过零点的检测。

3.2.2 引入多级运算放大电路。主要通过放大器进行二级放大，每级倍数约为50倍，总共放大2500倍，其特点主要是增益高，共模抑制比大，工作稳定等特点。放大2500倍后的信号波形使信号上升沿的斜率加大，其所对应的误差要远远小于未经过放大的信号对应的误差，将有利于电路对于过零点的判定精确度。

（1）采用单光耦和微处理器。光耦特性边缘时间差异明显，这是由于光耦导通时间较长，光耦电流由不导通变为导通电流之间存在十分漫长的过程，实际测得两个光耦导通性能差别的可以高达到40μs，这使在不同情况下使用光耦并进行同步制造很大麻烦。微处理器记录下相邻两次光二级管导通时的高电平时刻和不导通时的低电平的时刻，就可以算出其过零点时刻。

3.3 对算法设计的改进

一般情况下，在检测过程中，考虑时钟的稳定性很高，则在测量信噪比较高的正弦信号时，采用传统的检测方式相对简便。而在新方法的算法设计中，重点是比较前后两个相邻采样点的符号特征差别。在时钟采样频率的设置上，考虑设置为载波频率的14.6-14.8倍，则每个半载周期可以取得7-8个采样点。如果检测标志（符号）不发生变化，则连续正（负）采样点数据为7-8个，如检测标志发生了翻转，则会有少于7个或多于8个的正（负）采样点出现。通过检测符号变化，利用最小二乘法进行拟合，则可以进一步减少随机误差，从而提升采样精度，得到较好的检测结果。

结语

交流电的过零检测对于生产生活具有重要意义，传统的过零检测往往过于复杂且精确度不高。因此，结合这些缺点，当前也出现了较多的过零点检测新方法，如真空断路器关合同步控制、反电动势过零点、虹膜识别算法等。本文结合软硬件两个方面提出了新的过零点检测方法。通过电路与算法上的改进，既考虑了检测设备的安全性，又进一步考虑提升了检测结果的精度，实践中通过电路上采取两极放大，增加限幅电路以减少误差，算法上采取最小二乘法的方式来实现，从而有效地减少了由电网随机波动而带了的随机误差，切实提高了测量的精确度。

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[3] 黄福存，时卫东. 基于LabVIEW的同步关合控制中电压过零点的检测[J].机械与电子，2008（07）.

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