Sensorless microcontroller-based zero-crossing detection system for AC signals using a rounding function
Creators
- 1. Universiti Sains Malaysia
- 2. Asian Institute of Medicine, Science and Technology
- 3. University of Aden
Description
Microcontroller-based methods for zero-crossing detection (ZCD) presented in the literature employ external integrated circuits (ICs) to sense electrical signals, and their algorithms are sophisticated. Therefore, this paper proposes a simple open-loop sensorless microcontroller-based algorithm for determining zero-crossing (ZC) instants of sinusoidal signals that can be used for phase detection (PD) in phase-locked loops (PLLs). The proposed algorithm employs a built-in rounding function in the Arduino software environment. The developed system was simulated using MATLAB Simulink® to demonstrate its prominent features in recognizing zero-crossing points in two cases: a pure sine signal at a grid frequency of 50 Hz, and distorted signals with total harmonic distortions (THDs) of 10 %, 20 %, 30 %, and 40 %. In the simulation, the proposed system exhibited outstanding results in terms of simplicity, accuracy, and robustness. However, in practice, accuracy and robustness are relative terms, because they depend on the specifications of the microcontroller board. In this study, a low-cost microcontroller board, Arduino Uno, was used. The Uno is an 8-bit board with a 16-MHz clock speed. Therefore, an error in terms of the phase shift emerged in the output signal, which was measured to be 0.0314 rad at 50 Hz. Moreover, the proposed system detected the ZC points of distorted signals with a THD of up to 30 % without using filters and failed at a THD of 40 %. Finally, the ZC points were identified in a three-phase system, and the validity of applying the proposed method to polyphase systems was demonstrated.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
تستخدم الطرق القائمة على المتحكم الدقيق للكشف عن العبور الصفري (ZCD) المقدمة في الأدبيات الدوائر المتكاملة الخارجية (ICs) لاستشعار الإشارات الكهربائية، وخوارزمياتها متطورة. لذلك، تقترح هذه الورقة خوارزمية بسيطة قائمة على المتحكم الدقيق بدون مستشعر مفتوح الحلقة لتحديد حالات عبور الصفر (ZC) للإشارات الجيبية التي يمكن استخدامها للكشف عن الطور (PD) في الحلقات المقفلة الطور (PLLs). تستخدم الخوارزمية المقترحة وظيفة تقريب مدمجة في بيئة برامج الأردوينو. تمت محاكاة النظام المطور باستخدام MATLAB Simulink® لإظهار ميزاته البارزة في التعرف على نقاط العبور الصفرية في حالتين: إشارة جيبية نقية عند تردد شبكة 50 هرتز، وإشارات مشوهة مع تشوهات توافقية كلية (THDs) بنسبة 10 ٪ و 20 ٪ و 30 ٪ و 40 ٪. في المحاكاة، أظهر النظام المقترح نتائج رائعة من حيث البساطة والدقة والمتانة. ومع ذلك، من الناحية العملية، فإن الدقة والمتانة هما مصطلحان نسبيان، لأنهما يعتمدان على مواصفات لوحة المتحكم الدقيق. في هذه الدراسة، تم استخدام لوحة متحكم دقيق منخفضة التكلفة، أردوينو أونو. أونو عبارة عن لوحة 8 بت مع سرعة ساعة 16 ميجا هرتز. لذلك، ظهر خطأ من حيث إزاحة الطور في إشارة الخرج، والتي تم قياسها لتكون 0.0314 راد عند 50 هرتز. علاوة على ذلك، اكتشف النظام المقترح نقاط ZC للإشارات المشوهة مع THD تصل إلى 30 ٪ دون استخدام المرشحات وفشل في THD بنسبة 40 ٪. أخيرًا، تم تحديد نقاط ZC في نظام ثلاثي الأطوار، وتم توضيح صلاحية تطبيق الطريقة المقترحة على الأنظمة متعددة الأطوار.Translated Description (French)
Les méthodes de détection de passage par zéro (ZCD) basées sur des microcontrôleurs présentées dans la littérature utilisent des circuits intégrés externes (CI) pour détecter des signaux électriques, et leurs algorithmes sont sophistiqués. Par conséquent, cet article propose un algorithme simple basé sur un microcontrôleur sans capteur en boucle ouverte pour déterminer les instants de passage par zéro (ZC) des signaux sinusoïdaux qui peuvent être utilisés pour la détection de phase (PD) dans les boucles à verrouillage de phase (PLL). L'algorithme proposé utilise une fonction d'arrondi intégrée dans l'environnement logiciel Arduino. Le système développé a été simulé à l'aide de Matlab Simulink® pour démontrer ses caractéristiques de premier plan dans la reconnaissance des points de passage par zéro dans deux cas : un signal sinusoïdal pur à une fréquence de grille de 50 Hz et des signaux déformés avec des distorsions harmoniques totales (THD) de 10 %, 20 %, 30 % et 40 %. Dans la simulation, le système proposé a présenté des résultats exceptionnels en termes de simplicité, de précision et de robustesse. Cependant, dans la pratique, la précision et la robustesse sont des termes relatifs, car elles dépendent des spécifications de la carte microcontrôleur. Dans cette étude, une carte microcontrôleur à faible coût, Arduino Uno, a été utilisée. L'Uno est une carte 8 bits avec une vitesse d'horloge de 16 MHz. Par conséquent, une erreur en termes de déphasage est apparue dans le signal de sortie, qui a été mesuré à 0,0314 rad à 50 Hz. De plus, le système proposé a détecté les points ZC des signaux déformés avec un THD allant jusqu'à 30 % sans utiliser de filtres et a échoué à un THD de 40 %. Enfin, les points ZC ont été identifiés dans un système triphasé, et la validité de l'application de la méthode proposée aux systèmes polyphasés a été démontrée.Translated Description (Spanish)
Los métodos basados en microcontroladores para la detección de cruce por cero (ZCD) presentados en la literatura emplean circuitos integrados externos (IC) para detectar señales eléctricas, y sus algoritmos son sofisticados. Por lo tanto, este documento propone un algoritmo simple basado en microcontroladores sin sensor de bucle abierto para determinar los instantes de cruce por cero (ZC) de las señales sinusoidales que se pueden utilizar para la detección de fase (PD) en bucles de bloqueo de fase (PLL). El algoritmo propuesto emplea una función de redondeo incorporada en el entorno de software Arduino. El sistema desarrollado se simuló utilizando MATLAB Simulink® para demostrar sus características destacadas en el reconocimiento de puntos de cruce por cero en dos casos: una señal sinusoidal pura a una frecuencia de red de 50 Hz y señales distorsionadas con distorsiones armónicas totales (ThD) del 10 %, 20 %, 30 % y 40 %. En la simulación, el sistema propuesto mostró resultados sobresalientes en términos de simplicidad, precisión y robustez. Sin embargo, en la práctica, la precisión y la robustez son términos relativos, porque dependen de las especificaciones de la placa del microcontrolador. En este estudio, se utilizó una placa de microcontrolador de bajo coste, Arduino Uno. La uno es una placa de 8 bits con una velocidad de reloj de 16 MHz. Por lo tanto, surgió un error en términos del desplazamiento de fase en la señal de salida, que se midió en 0,0314 rad a 50 Hz. Además, el sistema propuesto detectó los puntos ZC de señales distorsionadas con una ThD de hasta el 30 % sin usar filtros y falló a una ThD del 40 %. Finalmente, se identificaron los puntos ZC en un sistema trifásico, y se demostró la validez de aplicar el método propuesto a sistemas polifásicos.Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- نظام الكشف عن التقاطع الصفري القائم على المتحكم الدقيق بدون مستشعر لإشارات التيار المتردد باستخدام وظيفة التقريب
- Translated title (French)
- Système de détection de passage par zéro basé sur un microcontrôleur sans capteur pour les signaux CA à l'aide d'une fonction d'arrondi
- Translated title (Spanish)
- Sistema de detección de cruce por cero basado en microcontrolador sin sensor para señales de CA mediante una función de redondeo
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4383065877
- DOI
- 10.1016/j.asej.2023.102375
References
- https://openalex.org/W2673566157
- https://openalex.org/W2734447958
- https://openalex.org/W2778708137
- https://openalex.org/W2795514443
- https://openalex.org/W2911871520
- https://openalex.org/W2921229668
- https://openalex.org/W2951715996
- https://openalex.org/W2973041600
- https://openalex.org/W2996023478
- https://openalex.org/W2999207022
- https://openalex.org/W2999934268
- https://openalex.org/W3035138008
- https://openalex.org/W3036276492
- https://openalex.org/W3045874979
- https://openalex.org/W3081513856
- https://openalex.org/W3082159434
- https://openalex.org/W3082637419
- https://openalex.org/W3092359799
- https://openalex.org/W3108651879
- https://openalex.org/W3110587491
- https://openalex.org/W3118549213
- https://openalex.org/W3142069444
- https://openalex.org/W3165831792
- https://openalex.org/W3184323633
- https://openalex.org/W3199201165
- https://openalex.org/W3206147304
- https://openalex.org/W3212610802
- https://openalex.org/W4212874432
- https://openalex.org/W4241420400
- https://openalex.org/W4285144709
- https://openalex.org/W4290975663
- https://openalex.org/W4312995156