具有相位补偿的高精度过零检测方法研究

具有相位补偿的高精度过零检测方法研究
孟彦京;种马刚;王素娥
【摘要】A high-precision zero-crossing detection method with phase compensation function was presented,which aims at solving the problem of influencing the detection accuracy due to the high frequency interference and phase delay by traditional method. The analysis of shortcomings and working mechanism of conventional detection is
per⁃formed,the improved circuit including low-pass filter of second-order voltage-controlled voltage source and all-pass filter is designed and its working mechanism and frequency domain characteristics are analyzed,while the simula⁃tion and experimental results are displayed. The results show that the method of zero-crossing detection circuit de⁃sign improves the detection accuracy,has the good real-time performance and simplifies the complexity of the fol⁃lowing software design.%针对传统过零检测方法因高频干扰和相位延迟而影响检测精度的问题，提出了具有相位补偿功能的高精度过零检测方法。

分析了传统检测方法的工作机理和存在的不足，设计了一种压控电压源型二阶低通滤波器和全通滤波器的改进电路，并对其工作机理和频域特性进行了理论分析，同时给出了仿真及实验结果。

结果表明，该方法设计的过零检测电路提高了同步脉冲信号的检测精度，并具有良好的稳定性，简化了后续软件设计的复杂性。

【期刊名称】《电子器件》
【年(卷),期】2016(039)002
【总页数】5页(P398-402)
【关键词】过零检测;相位补偿;全通滤波;低通滤波;压控电压源
【作者】孟彦京;种马刚;王素娥
【作者单位】陕西科技大学电气与信息工程学院，西安710021;陕西科技大学电
气与信息工程学院，西安710021;陕西科技大学电气与信息工程学院，西安710021
【正文语种】中文
【中图分类】TM930
近年来，随着电力电子技术的快速发展，直流无刷电机［1］、光伏并网器［2］、有源电力滤波器［3］、高性能软启动［4］、开关电源［5-6］等都得到了广泛应用，而在这些应用中，都需要检测交流电网的过零点。

但由于位置传感器的安装位置与系统成本、采样器件的性能、高频电磁干扰、工作器件的震动、功率器件的高工作频率等影响，使得检测到的电压信号中含有大量的谐波成分，最终导致过零信号的误判断。

针对此问题，要得到准确的过零信号，常规做法是先利用无源滤波器消除检测信号中的谐波干扰，再进行过零检测；该方法虽能提高系统的稳定性，但会带来信号的相位延迟和畸变，无法保证过零信号的实时性。

文献［7］提出了一种通过相位补偿和零点校正的方法，提高过零检测的精度，但只适用于软件设计方面。

为解决上述高频干扰和相位延迟影响过零检测精度的问题，本文利用压控电压源型二阶低通滤波器+全通滤波器的电路，代替传统的无源滤波器，提出了一种具有相位补偿功能的高精度过零检测方法，并分析了其工作机理和频域特性，同时进行了仿真和实验验证，将其应用在500 W的模拟光伏并网系统中。

1.1 基本过程
过零检测，即利用电路或门技术准确检测出信号过零点所处的位置。

具体检测过程是：首先利用传感器采集电压电流信号，然后经过简单的滤波处理，最后通过比较单元，输出同时域的过零脉冲信号［8］。

1.2 存在的不足
由于位置传感器的安装位置与系统成本、采样器件的性能、高频电磁干扰、工作器件的震动、功率器件的高工作频率等影响，使得检测到的电压信号中含有大量的高次谐波，而并非一个标准正弦波信号。

如果不经过滤波处理，直接进行过零比较，在过零点处会出现重复过零或提前过零的现象。

如下图1所示，波形①为含有20 kHz谐波的正弦波信号，直接经过过零比较，得到波形②的脉冲信号，在上升沿
和下降沿有明显重复过零现象。

为了避免上述现象，传统方法常利用无源滤波对采样信号进行处理，但会引起相位延迟，同时传感器采样也会带来一定的延迟，无法保证过零信号的实时性。

可见，传统的过零检测方法在高开关频率的场合下实现高精度过零检测的实时性和可靠性上还存在一定的不足。

由上述分析可知，要得到准确的过零信号，首先要消除干扰信号，就必须要引入滤波器；同时滤波器又会带来信号延迟和畸变，就又需要引入合适的电路来进行补偿。

因此，本文提出一种利用压控电压源型二阶低通滤波器对干扰信号进行滤除，并通过全通滤波器对信号进行相位补偿的方法。

2.1 整体结构
本次设计应用在模拟的光伏并网系统中，其中电网同步信号检测的总体结构如图2所示。

待检测的交流电网电压通过霍尔传感器后成比例的减小并实现强弱电隔离，然后通过低通滤波器滤除高频干扰，再通过全通滤波器对整个过程的相位差进行补偿，最
后通过带有固定阈值的一般单限比较单元得到精确的过零信号。

本文主要对模块3和模块4进行理论分析，阐述其工作机理和频域特性，其它部
分不做分析。

2.2 压控电压源型二阶低通滤波器
为了滤除采样电压信号中的高频干扰信号，必须加入低通滤波器，本设计采用压控电压源型二阶低通滤波器［9-11］完成此功能，原理图如图3所示。

这种二阶有源滤波器与传统的无源滤波器相比，具有输入阻抗高、输出阻抗低，不受负载影响的优点；而且可以通过调节通带放大倍数来实现对基波信号幅值的补偿。

其传递函数为：
式中为通带放大倍数。

通常取R3=R4=R，C1=C2=C ，则有：
令s=jω，则有：
式中：
其中ωo=1 RC为截止角频率。

由式（1）可知，只要确定了截止角频率ωo、基波角频率ω和通带放大倍数Aup，系统的幅值衰减和相移就可以直接确定。

因此，在选择R和C的值时，幅值衰减
和相移只与R和C的乘积有关，而与二者各自的参数值大小无关。

在此设计中，还可以通过选择固定的电容值，调节R1、R2，来实现对基波幅值的任意补偿；但是，这会给输入信号带来一定的相位延迟，从而影响后续的软件处理和控制算法的精度。

因此必须选择合适的电路对信号进行相位补偿。

2.3 全通滤波器
全通滤波器，又称移相滤波滤器［9，12］，其原理图如图4所示，传递函数为
通常取R1=R2=R，则上式等价于：
令s=jω，则有：
式中：
由式（2）可知，全通滤波器的幅频响应始终为1，因此可以对相位进行连续调节，且不会影响幅值的变化，非常适合于相位调节。

通过调节R3与C的乘积，可实现相位在0～180°范围内的任意补偿。

2.4 改进后的滤波器
结合式（1）和式（2），可得改进后的滤波器的幅相频特性为：
由式（3）可知，通过调节电阻电容值的大小，可以实现对滤波前后幅值A（ω）
的任意调节，并确保相位差φ（ω）=0。

3.1 仿真结果分析
3.1.1 搭建仿真电路
利用Multisim11.0软件，搭建如图5所示的仿真电路，用虚拟示波器观测基波、低通滤波器输出、全通滤波器和最终同步脉冲信号波形。

3.1.2 参数选择
由于过零检测对基波幅值没有要求，所以本次设计直接采用单位增益的压控电压源型二阶低通滤波器。

（1）基波和谐波信号的选择
本设计应用于光伏并网逆变器的同步脉冲采样系统中，并网逆变器的开关频率
fc=20 kHz，电网基波频率f=50 Hz，仿真电路中基波信号选择幅值为4 V的50 Hz正弦波，谐波信号选择幅值为1 V的20 kHz正弦波。

（2）低通滤波器的参数选择
根据截止频率应大于基波频率的10倍，小于开关频率的1/2，即10f＜fo<fc/2，选择截止频率fc=1 kHz。

仿真电路中设置R1=R2=1.6 kΩ，C1=C2=0.1 μF，则实际的截止频率fo=995Hz，即截止角频率ωo=6 250 rad/s。

（3）相位延迟的计算
根据式（1）可得，滤波器对50 Hz基波信号带来的相位延迟理论值为：
即延迟时间
（4）全通滤波器的参数选择
根据全通滤波器的特点，要补偿滤波引起的0.100 446 rad的相位延迟，应使：可求的fo=2.513 3 Hz。

当C=10 μF时，可得R= 6.332 5 kΩ，仿真中用10 kΩ的电位器代替。

通过上述对参数的选择，对仿真电路中各元件参数进行相应设定，然后对整个电路进行仿真。

3.1.3仿真结果分析
（1）系统的仿真结果如图6所示。

由图6可见，经过低通滤波器后信号②滤除了谐波的干扰，避免了如图1所示的重复脉冲的出现，但信号②明显滞后于基波信号①；经过全通滤波器后，信号③与信号①基本同时经过零点，实现了相位的补偿。

（2）利用虚拟示波器中光标可测出低通滤波带来的延迟时间t≈320 μs，与理论计算基本相同。

（3）利用Multisim中虚拟的泰克示波器可以观测到信号①③合成的李沙育图形基本为一条直线，如图7所示，表明两个信号之间的相位差为0。

3.2 实验分析
根据图5所示的系统仿真电路进行硬件制作和测试。

利用信号源产生含有20kHz 谐波的50Hz基波信号作为硬件电路的测试信号，并通过四通道数字示波器对上述四种信号进行测量，结果如图8所示。

由图8可以看出，原始信号经过二阶低通滤波器后消除了20kHz的谐波干扰，但引入了相位延迟；再经过全通滤波器后，得到了相应的相位补偿；提高了同步脉冲信号的检测精度，并具有良好的稳定性。

本文分析了传统的过零检测方法，设计了压控电压源型二阶低通滤波器和全通滤波
器的改进电路，并通过理论计算、仿真和实验分析三者对比，验证了本设计方法的正确性和可行性。

分析及实验结果表明，压控电压源型二阶低通滤波器具有良好的滤波特性和工作稳定性，并且全通滤波器的相位补偿能够有效的调整信号的相位。

本设计不仅解决了信号采集中滤波的问题，而且可以消除滤波带来的相位偏差，大大减小了软件设计的工作量，便于算法的实现和处理，具有很好的应用价值。

孟彦京（1956-），男，汉，河北，现工作于陕西科技大学，教授，博士生导师，主要研究电力电子与电力传动，电机软起动与新能源技术，***************；种马刚（1990-），男，汉，陕西，现就读于陕西科技大学，硕士研究生，主要研究电力电子与电力传动，新能源技术，*******************。

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