CN100426653C

CN100426653C - 一种用于电机控制的快速电流传感器

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Publication number: CN100426653C
Application number: CNB2006100974697A
Authority: CN
Inventors: 陆启建; 陆启湘
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-11-10
Filing date: 2006-11-10
Publication date: 2008-10-15
Anticipated expiration: 2026-11-10
Also published as: CN101013872A

Abstract

本发明提供了一种用于电机控制的快速电流传感器，该快速电流传感器由如下部件组成：(1)一个信号传送单元，包含：双箝位二极管，三个电容，或其中任何两个；(2)一个信号调整单元，包含：一个差分放大器，一个参考电压单元。由于本发明引入了一个双箝位电路，简化了此前的电流传感器电路，使过程更快，结果更可靠。又由于本发明提供了一个信号调整器电路，使任何形式的分流电阻上的信号能一步到位地适合到模数转换(AD)器的输入范围。

Description

一种用于电机控制的快速电流传感器

一、技术领域

本发明涉及一种传感器，用来简化电机控制电路。更具体地说，本发明涉及的是简化电流传感器电路装置和提高电机响应速度的途径，开关频率从现在的20KHz提高至数倍至数十倍，或者说开关频率实际上不再受电流传感器的限制。

二、背景技术

在涉及到电机控制系统性能方面总离不开一个课题，即如何准确及时地得到电机相电流信息，不幸的是，这些相电流信号是由高电压的开关电源而生成。这个电源电压太高，以致于数字控制单元不能直接处理电流信号，否则会损坏电路。因此有些特别的电流传感器就被开发出来，这些传感器能把高电压处电流信息传递到低电压处的数字信号处理器(简称为DSP)或微控制器(简称为MC)中，同时把高压开关电源和DSP/MC所依赖的低压直流电源隔离开来。

已开发出来的电路可以典型地分成几个功能块，如图1所示。该图只显示了通常是多相中的一相。高压电源由Vbus+和Vbus-所构成，开关元件1和2由电机控制算法来决定何时通还是断。但它们在任何时刻不能同时导通，从开关元件1和2来的电流经分流电阻4流到电机3。

由一个(随开关)浮动的正电源5供电的信号调整器7直接连到分流电阻4，测量单元8测量7的信号输出。因测量单元仍在高电压一側，在低电压电源一側的电机控制单元10不能直接接收8的输出。

为解决上述问题，引进了信号隔离器9，也称它作信号传送器9，因为实际上它同时做隔离和传送信号这两件事。在信号传送器9之后，从9输出的电压或数据可以被数字处理单元10接受了，这种系统的缺点是比较复杂和速度慢。

一个现有的例子就是IR2277S/IR2177S芯片电路，信号测量是在芯片内的高电压一側进行的，其输出就是代表流经分流电阻的电流大小，低压的脉冲寬度调制(PWM)信号。这种方案的缺点之一就是工作频率低，不超过20KHz；另一个缺点是需要额外的外部控制单元来的同步信号(Sync，低于开关频率20KHz)。当分流电阻上的电流改变到新值，这个电路需要两个同步周期才能使新输出稳定下来。用这种方法进行信号传递的时间波形图显示在图2。其中参数为：

Vmax：输入达到饱和前的最高输入电压(约+250mV)；

Vmin：输入达到饱和前的最低输入电压(约-250mV)；

Vin：真正的来自分流电阻的输入电压；

Sync：来自控制单元的低电压同步信号；

P0：PWM输出脉冲信号；

Vrh：输出参考最高电压；

Vr1：输出参考最低电压；

OUT：模拟输出电压。

另一个传送电流信息的例子是经由带隔离的数字通讯，例如HP7860。这个芯片电路执行三个任务于一身，即信号调整，信号测量和隔离并传送测量结果。其基本思想由图3来解释。其中13是一个带隔离的调制器(HP7860)，用来把分流电阻上的电压转化成数字数据并将依靠其自有的同步信号送出串行同步的数据(10MHz同步时钟)，从HP7860出来的数据信号不能被通常的数字控制单元17接受，所以该公司又提供一种数字接口芯片14(HPx870)来作为调制隔离器13和数字控制单元17之间的接口。

因每一个分流电阻通道都需要一个这样的芯片14，这个总成本就提高了，在多相电机控制中复杂程度增加了，数据传送速度也大受限制。

至少从以上解释中可看出，比照上述现有技术，希望有一个从分流电阻到数字控制单元之间降低电路复杂性的方法，和提高电路可靠性，并减少信号延迟的设计。

三、发明内容

1、发明目的：本发明的目的是提供一种电路简单、速度更快的用于电机控制的快速电流传感器。

2、技术方案：一种用于电机控制的快速电流传感器，其特征是该快速电流传感器由如下部件组成：

(1)一个信号传送单元，包含：

双箝位二级管，其双负极性端分接至分流电阻的两端；

三个电容，或其中任何两个，在二极管关断隔离时来保持电流信息；

一个直流电源VCC，来提供足够的电压，使当低位开关元件导通时双箝位二极管能发生箝位作用；

两个限流电阻，串联在双箝位二极管和所述直流电源VCC之间，来对双箝位二极管和所述电容提供偏执电压，对电容充电或放电，并限制流向双箝位二极管的电流；

(2)在上述信号传送单元后设有一个信号调整单元，该信号调整单元包含：

一个差分放大器，位于信号传送单元和模数转换器之间；

一个参考电压单元，连接到差分放大器的非反向输出端和模数转换参考地。

所述双箝位二极管，将信号传送单元的输出箝位到电机控制的开关周期中某些时刻的分流电阻的压降上。

信号调整单元的信号送到数字控制单元，其中的二极管是在低位的开关元件导通或饱和时发生箝位。当数字控制单元的电源及地都放到接近开关电源电压高端时，箝位应发生在高位开关元件导通或饱和时，两个嵌位二极管应反过极性来放置。

有两个电容的一端是接地的，这两个电容参数一致。

信号调整单元中的差分放大的增益是由模数转换器的输入范围与分流电阻的最大输出的比值来确定。

参考电压单元，用于当分流电阻提供的是双极性信号而模数转换器的输入是单极性的场合。

参考电压单元的输出电压是单极性输入的模数转换器输入范围的一半。

本发明的基本思路是采用一个不同于以前的电路结构。已有技术的结构(图1)中信号调整器7原来是在信号传送单元9之前的(高压一方)，现在被放到9的后面(低压一方)。这样一来，在信号调整器7之后的信号测量单元8就可以去掉了。因为对低压模拟信号，很多DSP和MC就有片上A/D转换器功能可接受，而且低电压一方的信号调整器可以根据A/D转换器的输入信号范围来提供恰好的电压信号值，这样就可充分利用DSP/MC的片上资源。新的电路结构特点可由图4来表示。

本发明的另一个实现特点，是提供了一个特别的信号传送单元19，这个单元19使用了一个所谓双箝位器的电路，这样就可以把信号传送器19从信号调整器20后面移到信号调整器20前面。

本发明的另一个实现特点是，双箝位器的主要部件含有两个半导体二极管23，24。它们在一个开关周期中的一些时间里传送分流电阻上的电流信息，在同一周期的其它时间里却隔离高电压共模信号。

本发明的另一个实现特点是，信号传送单元(图5)包含了一些电阻25，26和电容27，28，29。在箝位二极管23，24隔离高压共模信号时或其它非箝位时刻，电容27，28，29上的电压信号保持了分流电阻传来的电流的信息。

本发明的另一个实现特点是，提供了一个特别的信号调整器单元，这个单元把信号传送单元输出来的信号线性地转换成适合DSP/MC输入范围的信号。

根据本发明的另一个实现特点，在信号调整单元30中提供了一个差分放大器31，在一个参考电压源36的辅助下，31将电流信号放大为dsp/mc中的AD转换器输入所需要的电压范围。

3、有益效果：由于本发明引入了一个双箝位电路，简化了此前的电流传感器电路，使过程更快，结果更可靠。又由于本发明提供了一个信号调整器电路，使任何形式的分流电阻上的信号能一步到位地适合到模数转换(AD)器的输入范围。

四、附图说明

图1是一个代表已有技术的多相电机的某一相电流传感器的结构框图。

图2是已有技术用于电机控制的相电流传感器芯片-IR2277S/IR2177S的工作波形图。

图3是已有技术的电流传感器的另一例，HP7860的结构图。

图4是本专利的电流传感器结构框图。

图5是本发明的信号传送器的原理图。

图6是本发明的信号调整器的结构图。

五、具体实施方式

为满足前述需要，本发明提供了一个电路，其特点在很大程度上实现了这个设计思想。这个电路结构，显示于图4中，提供了不同于从前传感器的结构特点。它把图1中的信号调整器单元7从信号传送单元9的前面(高电压)位置移到了18中信号传送单元19的后面，成为20。这样跟随在图1中7之后的测量单元8就可以被省去。因为在本设计中，信号调整器20及其后的单元都属于低电压电路，而许多低压的DSP/MC的片上功能就包含了AD转换等信号测量单元，这样的优点是充分利用了强大的DSP/MC片上功能资源，简化了电路。

本发明的另一个特点是，如果数字控制电路及其供电电路都放在高电压开关电源的高端，即Vbus+处，而不是Vbus-处，本发明一样使用。只是把下面所要描述的部分带极性的元件，如二极管等，反极性放置。然而，总体的电路结构及设计方法是一样的。

本发明的另一个特点是，提供了一个把图1中信号传送单元9从信号调整单元7后面的位置提前到图4中信号调整单元20的前面的位置，成为新的19的方法，来实现前面的要求，这就是新的信号传送单元(图5)，它直接与多相电机的相电流电路相连。

根据本发明的另一个实现特点，在信号传送单元(图5)中提供了一对特别的隔离二极管23，24，称作双箝位器，它们的参数须是一致的。

本发明的另一个实现特点是，在信号传送单元(图5)中提供了一个直流箝位电源VCC。VCC电压不能超过后面信号调整单元20(在图4中)的绝对最大额定参数，例如单元20的电源电压最大值。

VCC的水平也必须足够高，通过中间的限流电阻25，26，使图5中的二极管23，24在开关元件2导通及饱和时能够箝位。VCC的电压水平必须比图5中开关元件2的饱和电压值高至少数伏以上。

根据本发明的另一个实现特点，在图5中二极管23，24的负极连到电机某一相的分流电阻两端。

根据本发明的另一个实现特点，在图5中提供了三个电容27，28，29的位置。当开关元件1关断而2导通时，二极管23，24的正极性端的电压U1L和U2L被箝位到(几乎等于)负极性端电压U1H和U2H。在此箝位期间，(U1L-U2L)几乎等于(U1H-U2H)，并被此时充电的电容27，28，29保持一段时间。电流信息就这样从分流元件4上传递到二极管23，24的正极性端，即(U1L-U2L)，并被电容27，28，29保持。三个电容27，28，29中的任何两个都能完成保持电流信息的工作。

根据本发明的另一个实现特点，箝位二极管的反向峰值电压参数高于被测电路的电机的开关电源电压，电路中的浪涌及瞬冲电压。

根据本发明的另一个实现特点，图5中限流电阻25，26参数是一致的。

根据本发明的另一个实现特点，图5中电容28，29参数是一致的。

根据本发明的另一个实现特点，信号传送单元的电阻25，26和电容27，28，29之间组成的任何时间常数必须小于电机的电气时间常数。如果电机控制算法使AD采样时间正好在箝位时间内，电阻电容之间形成的时间常数可以更小，或者电容可被拿掉。

在另外一些场合，例如AD采样时间是在开关元件1开通而2关断时，则必须有电容来保持(U1L-U2L)足够长久，直到采样来临时。当开关元件1开通时，分流电阻两边的电压都高到接近Vbus+，箝位二极管23，24由于逆向偏压而截止。这时的高电压U1H，U2H就被二极管隔离了。

本发明的另一个实现特点，是提供了一个信号调整单元20来线性地放大由信号传送单元19输出的电流信号(U1L-U2L)。单元20的输出正好适合DSP/MC的AD转换器的输入范围。信号调整单元20的结构于图6。

根据本发明的另一个实现特点，信号调整单元中引入了一个差分放大器31。放大器31的增益应这样设定，即满足后面要提到的要求，就是：

Gain = \frac{R_{f}}{R_{in}} = \frac{{(V_{2} - V_{1})}_{\max}}{2 * {(U 2 L - U 1 L)}_{\max}}

其中：V₂是DSP/MC的AD转换器的模拟输入电压；

V₁是DSP/MC的AD转换器模拟输入的参考地；

(V₂-V₁)_max是AD转换器输入电压范围；

(U2L-U1L)_max是信号传送单元的最大输出，相当于分流电阻4的最大端电压差值输出。

根据本发明的另一个实现特点，提供了一个参考电压单元36，示于图6中。当分流电阻输出正负双极性电流信号时，输入端具有单极性电压输入范围的AD转换器的仍可得到全范围线性转换。参考电压单元36的输出值是：

\frac{{(V_{2} - V_{1})}_{\max}}{2}

当信号调整器的输入(U1L-U2L)＝0时，有：

(V_{2} - V_{1}) = \frac{{(V_{2} - V_{1})}_{\max}}{2}

对任何信号调整器的输入(U2L-U1L)，有：

V_{2} - V_{1} = (U 2 L - U 1 L) * Gain + \frac{{(V_{2} - V_{1})}_{\max}}{2}

Claims

1、一种用于电机控制的快速电流传感器，其特征是该快速电流传感器由如下部件组成：

(1)一个信号传送单元，包含：

双箝位二级管，其双负极性端分接至分流电阻的两端；

(2)在上述信号传送单元后设有一个信号调整单元，该信号调整单元包括：

一个差分放大器，位于信号传送单元和模数转换器之间；

2、根据权利要求1所述的快速电流传感器，其特征是所述双箝位二极管，将信号传送单元的输出箝位到电机控制的开关周期中某些时刻的分流电阻的压降上。

3、根据权利要求2所述的快速电流传感器，其特征是两个箝位二极管是同样的，有一致的参数。

4、根据权利要求2所述的快速电流传感器，其特征是信号调整单元的信号送到数字控制单元，当数字控制单元的电源及地都放到接近开关电源电压高端时，嵌位应发生在高位开关元件导通或饱和时，此时两个嵌位二极管应反过极性来放置。

5、根据权利要求2所述的快速电流传感器，其特征是嵌位二极管的反向峰值电压参数要求高于被测电路的电机开关电源电压、电路中的浪涌及瞬冲电压。

6、根据权利要求1所述的快速电流传感器，其特征是三个电容中有两个电容的一端是接地的，这两个电容参数一致。

7、根据权利要求1所述的快速电流传感器，其特征是信号传送单元的任何电阻和电容之间组成的时间常数必须小于电机的电气时间常数。

8、根据权利要求1所述的快速电流传感器，其特征是信号调整单元中的差分放大的增益是由模数转换器的输入范围与分流电阻的最大输出的比值来确定。

9、根据权利要求1所述的快速电流传感器，其特征是参考电压单元，用于当分流电阻提供的是双极性信号而模数转换器的输入是单极性的场合。

10、根据权利要求9所述的快速电流传感器，其特征是参考电压单元的输出电压是单极性输入的模数转换器输入范围的一半。