交流电源过零点检测新方法及运用实践微探

尤进强

摘 要：目前在控制技术中，交流电源过零点检测是一种常见方法，它主要用于交流电源过零点时间、电压反相点以及交流电源频率的测定。而提高交流电源过零点检测的精确性，对于控制以交流电为电源的机械设备而言具有非常重要的作用。因此本文对交流电源过零点检测新方法及运用实践进行了深入研究，分析了交流电源过零点传统检测方法的不足，从而对过零点检测新方法及运行做了详细阐述。

关键词：交流电源；过零点监测；新方法；运用实践

中图分类号：G632 文献标识码：A

1.交流电源过零点检测概述

交流电源过零点检测是控制交流电源中经常应用到的一种方法，它指的是采用相关系统，对从正半周转换到负半周的交流电波形“过零”的具体时间。过零点检测的基础原理具体来说就是在微处理核心芯片中设置一个标准，在输出正半周正弦波交流电时设置一个确定值，当正弦波交流电输入发生持续性的变化时，通过微处理核心芯片就能在正弦波交流电的输出端调制一个方波，这样一来在示波器上就能将出现正弦波零点的位置正确显示出来。传统过零点检测器的最小单元由比较器组成（如图1所示）。过零点检测一般情况下有两种方案：一是隔离变压器的检测方案。这种检测方案尽管体积较为庞大，且检测精度也较低，但是具有较好经济性。二是隔离光耦的检测方案。这种检测方案不仅灵敏度较高，同时具有体积小以及检测精度高等优点，但是其价格较为昂贵。在电机控制的过程中，交流电源过零点检测具有非常重要的作用，电机转速的不同主要是由导通角的不同决定的，而导通角则是由开始计时零电压时的导通时间表征决定的。此外，导通时间也决定了电机转速的微、低、中、高等4个等级。

2.交流电源过零点检测传统方法的不足

2.1 易受背景噪声大、电压波动不稳定的干扰

我国具有十分庞大的电网，即使某处电波发生了微小的变化，也有可能无限扩大，并对其他处的电波产生较大的影响。这样就会造成零点处的输入信号不能一直处于固定值，同时零点现象也会逐渐增多，最终就会导致实际检测的过程中，提取零点与基波零点之间存在较大的误差。

2.2 零点附近容易发生正弦波整形的错误动作

一般情况下通过光电之间的转换特性，采用微处理器对正弦波整形之后的梯形波信号沿所显示的时间进行检测，就能计算出交流电源过零点的具体时间。在正弦波整形中，通常情况下使用的芯片都为单片机，因为该芯片不仅使用方便，价格便宜，同时还具有十分广泛的应用范围。在单片机实际处理信号的过程中，如果检测到了下降沿的梯形波，则表示为过零点的获取时间。但明显可以看出，真正的零点与这一零点之间存在一定的差异，即过零点检测的时间有所提前。因此，如果触发动作必须准确，则传统的正弦波整形不能满足其对精度的要求。

2.3 过零比较器的相位以及运放模块稳定性存在误差

运放模块的主要优势就是价格便宜，但是由于过零比较器与运放模块构成之间不能实现高度匹配，因而在过零比较器的相位以及运放模块稳定性之间就会存在一定的误差。同时在运行的过程中，过零比较器也会产生一定额的热量，而温度的变化也会造成输入失调，并影响到运放模块性能的稳定性，从而降低交流电源过零点检测的准确性以及精度。

2.4 光耦过零点上升沿转换耗时较长，反应速度较慢

光耦下降沿以及上升沿之间相互转换的时间为120微秒。在应用的过程中，如果要求的反应速度不高，这种转换时间就能够达到要求。但如果应用要求反应速度较高，例如在通信应用中，这样的转换时间则会对通信质量产生非常不利的影响。换句话说，在120微秒之内，系统已经判定出了过零点的时间，则表明检测出来的反应时间与120微秒之间存在一定的误差。

3.交流电源过零点检测新方法及运用实践

针对运用传统方法检测过零点时存在的缺陷，则可以通过改进电路设计以及算法设计等两个方面来改进传统的过零点检测方法，从而获得交流电源过零点检测的新方法。该新方法能够极大地提高过零点检测结果的精度，其主要的工作原理则是采用过零点光耦思路来实现的。

3.1 设计电路模式

交流电源过零点检测新方法中，所应用到的电路一般由4个电路部分组成：单光耦、限幅电路、放大电路以及微处理器等。这一电路中省略了变压器，因设备的体积有所减小，同时设备成本也有所减少。交流电源过零点检测新方法中电路设计概念图如图2所示。

3.2 改进设计电路

限幅电路的增加。这种电路主要有两个方面的作用，一是起到保护整体运放模块的作用，避免运放模块之间电压差异过大而对运放过程造成损坏。二是能够有效地降低输入电压，避免在有限的供电区域内，正负电源电压之间的输出均能获得较高的真实性以及准确性。此外应注意的是，底部被截以及顶部信号等都不会对交流电源过零点检测产生影响。

在放大电路中引进多级运算。一般电路的二级放大主要是采用放大器来实现的，放大的级倍数每级约为50倍，一共需要放大2500倍。电路放大之后的特点为工作稳定性高、增益高，并且还具有较大的共模抑制比。当电路被放大2500倍之后，信号波形就会产生较大的信号上升沿，而其对应信号存在的误差则要比没有放大过的电路对应信号的误差小得多，因而能够极大地提高判定过零点时间的精确度。

微处理器以及单光耦的应用。光耦的边缘特性时间具有非常大的差异，其差异产生的原因则是由于导通光耦所需时间过长，且不导通的光耦电流向导通光耦电流之间转换的过程较为漫长。在实际测量中，导通两个光耦电流所需要的时间差异非常高，能够达到40微秒，这样一来，不同情形下的光耦电源的使用以及制造同步就会面临较大的难度。而采用微处理器将两次导通相邻光二极管过程中的高电平时间，以及未导通过程中的低电平时间记录下来，就能将交流电源过零点时间准确地计算出来。

3.3 改进设计算法

通常情况下，在交流电源过零点检测的过程中，由于时钟具有非常高的稳定性，因此如果测量的正弦波信号具有较高的信噪比，则主要采用传统的过零点检测方法进行检测，这样的检测相对简便。而在交流电源过零点检测新方法中，设计算法的重点在于对相邻两个采样点之间的特征符号差异进行比较。在设置时钟频率采样的过程中，通常会考虑设置14.6～14.8倍的载波频率，那么每个半载周期获得采样点为7～8个。在交流电源过零点检测的过程中，如果检测的符号或者标志没有发生改变，则正（负）采样点的连续数据应为7～8个；而如果检测的符号或者标志发生了改变，则数据就会在多于8个或者少于7个处出现正（负）采样点。通过对符号或者标志变化的检测，采用最小二乘法拟合，就能有效地降低随机误差，并极大地提高交流电源过零点检测的精度，从而获得准确的检测结果。

结语

综上所述，交流电源过零点检测对于人们的日常生活以及工业生产均具有十分重要的作用和意义，由于传统的交流电源过零点检测的方法不仅复杂，而且检测的精度也相对较低，因此本文结合传统检测方法中存在的缺点，从硬件以及软件两个方面提出了交流电源过零点检测的新方法，并通过改进电路设计以及算法设计等，来增强过零点检测装置的安全性以及检测结果的准确性。在运用的过程中，通过增加限幅电路以及放大两级等来促使误差降低，且在设计算法时采用最小二乘法拟合的方式来加以实现，从而有效地提高了交流电源过零点检测的精确度。

参考文献

[1]邱序福.交流电源过零点检测的新方法[J].中国新技术新产品，2015（8）：81-82.

[2]盛占石，王青青，黄赛帅.交流电源过零点检测新方法[J].仪表技术与传感器，2012（2）：106-107+110.