CN101496276A - 通过直流环节改进电机相电流重构的电路 - Google Patents

通过直流环节改进电机相电流重构的电路 Download PDF

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Abstract

一种用于重构由直流环节供电且由PWM控制器控制的多相逆变器所驱动的多相负载的相电流的装置，该装置包括直流环节中的传感器，通过从所述传感器获得输出而对直流环节中的电流进行采样的第一和第二采样装置，所述第一采样装置在与所述多相逆变器的第一开关模式相应的第一时间周期内获得直流环节中的电流的第一采样并储存该第一采样；所述第二采样装置在所述第一时间周期之后的且与所述多相逆变器的第二开关模式相应的第二时间周期内获得直流环节中的电流的第二采样并储存该第二采样；A/D转换器，该A/D转换器在所述第一时间周期后的时间周期内将所述第一采样转换成数字信号，并在随后的第三时间周期内将所述第二采样转换成数字信号。

Description

通过直流环节改进电机相电流重构的电路
相关申请的交叉引用
本发明要求2005年1月3日提交的题为“通过直流环节改进电机相电流重构的电路”的美国临时专利申请60/641,175的利益及优先权，其全部的公开内容作为引用结合于此。
背景技术
在以数字PWM交流逆变器为基础的电机驱动系统中，高质量的电机相电流反馈要求执行闭环电流控制。为了降低系统成本和简化所述电流传感系统，多个电机相电流信息能通过直流环节电流信息而被重构。通过直流环节实现电机相电流重构的传统电路使用与A/D转换器结合的单一的采样及保持电路。然而，当产生有效电压矢量的开关模式的持续时间很小时，由于PWM逻辑的原因，所述相间有效电压变小，此时这种方法对重构产生显著的限制。这里所描述的新方法用两个并联的采样及保持电路替代一个采样及保持电路以便最小化所述有效电压矢量的时间持续限制。利用这种新的电路，电机电流重构的保真度得到提高，并且其将直流环节电流重构的使用延伸到包括永磁电机和感应电机的交流电机应用的广泛领域。
传统直流环节电流传感和相电流的重构均使用数字电机控制应用中的硬件和软件算法。硬件电路通常由放大器，采样及保持电路，多路器和A/D转换器组成。采样和保持电路的位置可以不同(参见附图1和图2)，然而，通用的方法中只采用一个采样和保持电路。在三相交流电机应用中，为了同时提供三个交流相电流，要求重构两相电流信息。图3示出了典型的具有交流电机的逆变器电路，该电机中的特定的电流与图4中的PWM周期中的开关模式(100)相对应；直流环节电流传感，该直流环节电流传感能由单个分流电阻R(图3)或霍耳效应型电流传感器实现，该直流环节电流传感通常包括PWM周期中的两相电流信息。图4包括作为示例的U相和W相电流信息。直流环节上的每一个两相电流信息的持续周期随着PWM周期中的特定PWM开关模式的同步而变化。在图4中，示出了逆变器开关的开关状态，“1”表示高边开关被导通。因此，有效电压矢量状态“100”是高边开关U1(图3)导通(U2断开)，V1断开(V2导通)，以及W1断开(W2导通)。这是附图3的状态。如图4所示，在开关状态或有效电压矢量100期间，直流环节中的电流是相电流IU，其等于-(IV+IW)。
如图1或图2中所示的传统重构电路，通过采样及保持电路S/H捕获第一相电流并随后通过A/D转换器将其转换成数字量。在该第一相电流采样及转换之后，所述第二相电流被相同的采样及保持电路S/H捕获并被所述A/D转换器转换。因此，该两相电流模拟至数字的转换按如下顺序进行：
(1)由采样及保持电路捕获第一电机相电流；
(2)由A/D转换器转换第一电机相电流；
(3)由采样及保持电路捕获第二电机相电流；
(4)由A/D转换器转换第二电机相电流。
在典型的三相中心点连接的PWM调制方案中，上述连续事件在图4所示的PWM周期中发生两次。每相电流的顺序如下：第一电机相电流(T1时间周期)→第二电机相电流(T2时间周期)→第二电机相电流(T2时间周期)→第一电机相电流(T1期间)。当没有电流时，所述两个事件被零电压矢量111所隔开。
在该实施例中，第一电机相电流代表所述电机U相电流，而所述第二电机相电流代表负值的所述电机W相电流。所述V相电机相电流是通过三相电机电流的总和等于零的事实推导出来的。
当相电流的持续时间(图4中的T1和/或T2)变得小于所述采样及保持电路和A/D转换器捕获相电流模拟量并完成A/D转换所需要的时间时，这种传统的两相电机电流重构方法具有局限性。所述采样及保持电路捕获模拟量的典型时间是大约几百纳纱到1微秒，然而对于12位的A/D转换器来说，典型的A/D转换时间的范围从几微秒到10微秒之间。
因此，实际上3微秒是一个限制，低于3微秒是不能实现电流重构的。所述持续周期(T1和T2)是有效电压矢量的确切时间周期。例如，在图3中，它们是分别代表T1和T2周期的矢量(100)和(110)。
如在空间矢量范围内旋转的所述电压矢量(图5)，当其到达阴影区所示的所谓“扇形交叉”区域时，电机相电流重构不能实现。在这些区域中，T1或T2变得非常小，不能给予捕获和A/D转换足够的时间。
发明内容
本发明提供解决上述问题的方案，与现有技术相比，本发明允许对于减小的持续脉冲宽度进行捕获和A/D转换。
根据本发明，提供一种用于重构由直流环节供电且由PWM控制器控制的多相逆变器所驱动的多相负载的相电流的装置，该装置包括直流环节中的传感器；通过从所述传感器获得输出而对直流环节中的电流进行采样的第一和第二采样装置，所述第一采样装置在与所述多相逆变器的第一开关模式相应的第一时间周期内获得直流环节中的电流的第一采样并储存该第一采样；所述第二采样装置在所述第一时间周期之后且与所述多相逆变器的第二开关模式相应的第二时间周期内获得直流环节中的电流的第二采样并储存该第二采样；A/D转换器在所述第一时间周期后的时间周期内将所述第一采样转换成数字信号，并在随后的第三时间周期内将所述第二采样转换成数字信号。
附图说明
本发明将结合附图在随后的描述中进行更加详细的描述，其中：
图1示出了用于从电机控制器的直流环节确定电机相电流的现有技术的电路；
图2示出了另一个现有技术的电路；
图3示出了电机控制器的直流环节和逆变器；
图4示出了表示开关模式的逆变器的PWM周期以及因此如何产生有效电压矢量；
图5示出了用于逆变器的空间矢量的示意图；
图6示出了根据本发明的电路的一种实施方式。
图7示出了用于三相调制的图6中的电路的开关模式和采样时间；
图8示出了用于两相调制的开关模式和采样时间；以及
图9示出了所述逆变器的电路的另一种实施方式；
具体实施方式
为了最小化因有效矢量(T1和T2)的时间持续导致的限制，发展了一种新的电路，其实施方式如图6所示。该电路具有两个并联的采样及保持电路S/H1和S/H2，用以捕获出现在直流环节中的两个电机电流信号。在该电路中，即使所述电压矢量位于所述“扇形交叉”区域中，该相关的电机相电流也能在采样时刻被捕获。A/D转换能够不必在捕获相电流反馈的模拟量之后立刻进行，而是在第二相电流捕获完成之后再发生转换。
该方法的优点在于通过消除第一电机相电流重构的A/D转换的时间要求，从而最小化有效电压矢量(T1和T2)的时间限制。
该电路包括运算放大器A和两个并联的采样/保持电路S/H1和S/H2。所述运算放大器A被用于调整流过直流环节的分流电阻R所产生的模拟输入电压。所述运算放大器包括用于消除可能出现在系统中的共模噪声的差分模式放大器。两个并联的采样/保持电路S/H1和S/H2被设计为用以与PWM开关模式同步地捕获两个电机相斩波电流信息。如所示，每个采样及保持电路典型地由开关和电容器组成。所述开关典型地由串联的传输MOS晶体管实现，且保持电容器连接在传输晶体管开关之后并设计成不需要电压降的下降就能保持所捕获的模拟值。所述采样/保持开关(T1和T2开关)通常在各有效电压矢量的中心点闭合和断开。当T1开关断开时，储存在电容器中的模拟值保持不变并随后进行A/D转换以数字化第一电机相电流。在一种实施方式中，当第一电机相电流的A/D转换进行时，即使T1周期变得非常小，开关T2也能独立地捕获第二电机电流。一旦与所述第一电机相电流相关的A/D转换完成，基于用开关T2的保持电容所储存的模拟值的所述第二电机相电流的A/D转换便开始。这样，所述电路能在捕获第二电机相电流和执行第一电机相电流的A/D转换之间进行并行动作。
在该新方法中，约束在T1和/或T2周期上的时间仅由采样及保持电路的捕获时间所限制，所述捕获时间典型的小于500纳秒，且取决于所述保持电容器的尺寸。因此，当与上述传统方法相比时，该新方法显著地减小了相电流不确定的空间矢量范围中的扇形交叉区域，因此，依次改善了重构电流波形的保真度并减少了失真。
图7示出了在具有两个分离的采样及保持动作的三相PWM调制中的典型开关模式。在该实施例中，尽管T1周期变得非常小，但在T1周期的信息在其中点上能被开关T1的保持电容所捕获。T1周期(S/H1)的A/D转换的持续时间能够通过专用采样及保持(S/H2)与T2周期的捕获相重叠。
图8示出了在具有两个分离的采样及保持电路的两相PWM调制中的典型开关模式。在该两相PWM中，W相开关总具有相同的状态，例如，上面的开关W1断开，并且开关W2总是闭合。当所述T1周期变得非常小，以同样的方式，发生两个动作，T1周期的A/D转换和通过采样及保持电路(S/H2)捕获T2周期的电机电流。
因此，该新的电路将能在所述三相和两相PWM调式方案中操作。
尽管本发明是参考特定实施例进行描述的，但对于本领域技术人员来说，许多其他的变化和修改及其他使用都是显而易见的。因此，本发明不能局限于此处所公开的具体内容，而仅由所附权利要求限定。

Claims (14)

1、一种用于重构由直流环节供电且由PWM控制器控制的多相逆变器所驱动的多相负载的相电流的装置，该装置包括：
位于所述直流环节中的传感器；
通过获取所述传感器的输出而对直流环节中的电流进行采样的第一和第二采样装置，所述第一采样装置在与所述多相逆变器的第一开关模式相应的第一时间周期内获得直流环节中的电流的第一采样并存储所述第一采样；所述第二采样装置在所述第一时间周期之后的与所述多相逆变器的第二开关模式相应的第二时间周期内获得直流环节中的电流的第二采样并存储所述第二采样；
A/D转换器，该A/D转换器在所述第一时间周期之后的时间周期内将所述第一采样转换成数字信号，并在随后的第三时间周期内将所述第二采样转换成数字信号。
2、根据权利要求1所述的装置，其中所述第一和第二采样装置包括采样和保持电路。
3、根据权利要求1所述的装置，其中所述采样装置的操作使得在一时间周期内，所述采样装置对该时间周期内的直流环节中的电流进行采样并且所述A/D转换器将前一时间周期内的采样转换成数字量；
4、根据权利要求1所述的装置，其中所述逆变器是三相调制的；
5、根据权利要求4所述的装置，其中所述采样装置连续采样，使得所述第一采样装置采样，然后所述第二采样装置在PWM周期内再跟随所述第一采样装置进行两次采样。
6、根据权利要求1所述的装置，其中所述逆变器是两相调制的；
7、根据权利要求6所述的装置，其中所述采样装置连续采样，使得所述第一采样装置采样，然后所述第二采样装置在PWM周期内再跟随所述第一采样装置进行采样。
8、根据权利要求1所述的装置，该装置进一步包括置于所述第一和第二采样装置与所述A/D转换器之间的多路器电路。
9、根据权利要求1所述的装置，该装置进一步包括耦合至所述传感器的多路器电路，所述第一和第二采样装置接收所述多路器的输出并给所述A/D转换器提供输出。
10、根据权利要求1所述的装置，其中所述传感器包括直流环节中的电阻器。
11、根据权利要求1所述的装置，其中所述传感器包括霍耳效应传感器。
12、根据权利要求1所述的装置，其中所述A/D转换器在所述第二时间周期内将所述第一采样转换成数字信号。
13、根据权利要求1所述的装置，其中所述A/D转换器在所述第三时间周期内将所述第二采样转换成数字信号。
14、根据权利要求2所述的装置，其中，所述每个采样及保持电路都包括开关和存储电容。
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