CN102866290A - 测量电机绕组电流的检测电路及检测方法 - Google Patents

Abstract

一种测量电机绕组电流的检测电路，包括逆变器和连接逆变器的三相绕组电机，所述逆变器包括三个上桥臂和三个下桥臂、以及与所述三个上桥臂连接的三个开关器件(K1、K3、K5)和与所述三个下桥臂连接的另外三个开关器件(K2、K4、K6)；逆变器通过所述开关器件与三相绕组电机相连；其特征在于，还包括至少两个采样电阻(Ru、Rv或Rw)，所述至少两个采样电阻分别串联于逆变器的至少任意两个下桥臂和连接该至少任意两个下桥臂的两个开关器件之间。本发明采用连接在逆变器的下桥臂的采样电阻进行电机绕组电流采样检电路，控制逻辑简单且成本低廉，适用于SPWM和SVPWM两种不同驱动方式的电机绕组电流检，有利于产业的推广应用。

Description

测量电机绕组电流的检测电路及检测方法

技术领域

本发明属于电机驱动技术领域，尤其涉及一种测量电机绕组电流的检测电路及检测方法。

背景技术

在同步和异步电机驱动应用领域中，电流闭环控制是广泛采用的技术，电机转子所受的转矩与绕组中的电流有直接的关系，电机的平稳运转则有赖于对绕组电流直接或间接的控制。要控制绕组电流，自然要对其进行精确测量，否则对绕组的电流就无从控制。如何既能准确采集绕组电流，又能降低成本对大规模工业应用具有重要的意义。

目前市场上的绕组电流采集技术有两种：一种是用霍尔传感器采集；另一种是IR(International Rectifier，中文全称：国际整流器公司)公司推出的单电阻采样重构技术。

霍尔传感器是一种与被测电路隔离的电流传感器，具有优良的性能，工业电机多采用逆变器实现直流到三相交流的转换，图1是直接绕组串联采样电阻的测量绕组电流的示意图。其中电机绕组输入端S1、S2、S3悬浮于地线之上，由于绕组电流的测量不宜使用将Ru、Rv、Rw作为采样电阻的方式测量电流，故多采用霍尔传感器。然而，采用霍尔传感器进行电流采样具有较高的成本，因此多用于高性能要求的场合。

单电阻电流采样重构技术是IR公司采用的一种单电阻采样技术。图2为现有技术的IR公司的单电阻采样技术的采样电阻安装示意图，其中图2中的R为绕组电流采样电阻。图3为现有技术的IR公司的SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation即空间矢量脉冲宽度调制)单电阻采样时序控制过程图。图3中上部标注了SVPWM调制过程中3相桥臂的开关状态(000、100、110、111)，根据桥臂开关的组合状态，可以得知当前母线流经的是那个绕组的电流，这样在图2所示的采样电阻上就有对应电流所产生的压降，由于采样电阻直接串连在母线的地线之上，故可以直接进行A/D采样。采用合适的延迟时间(避开电流振荡)即可采到真实的母线电流。该技术的最大好处是降低了成本，同时外围电路简单。不足之处在于在同一采样电阻上根据桥臂开关组合状态分时进行电流压降采集，控制逻辑相对复杂。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种测量电机绕组电流的检测电路以及检测方法，根据本发明的测量电机绕组电流的检测电路，包括逆变器和连接逆变器的三相绕组电机，所述逆变器包括三个上桥臂和三个下桥臂、以及与所述三个上桥臂连接的三个开关器件(K1、K3、K5)和与所述三个下桥臂连接的另外三个开关器件(K2、K4、K6)；逆变器通过所述开关器件与三相绕组电机相连；其特征在于，还包括至少两个采样电阻(Ru、Rv或Rw)，所述至少两个采样电阻分别串联于逆变器的至少任意两个下桥臂和连接该至少任意两个下桥臂的两个开关器件之间。

根据本发明的测量电机绕组电流的检测电路，其特征在于进一步包括第三个采样电阻(Ru、Rv或Rw)，所述第三个采样电阻串联连接于逆变器的第三个下桥臂端和连接该第三个下桥臂的开关器件之间。

根据本发明的的测量电机绕组电流的检测电路，其特征在于所述采样电阻的采样频率最大值为控制所述三个桥臂的开关的载波频率。

根据本发明的测量电机绕组电流的电流检测方法，其有本发明的测量电机绕组电流的检测电路来执行，包括如下步骤：

(1)、根据逆变器所要输出的电流动态范围选取采样电阻阻值R以适应模/数转换器采样的动态范围；

(2)、确定三相绕组电机脉宽调制器的载波周期；

(3)、利用载波周期性特征，以逆变器的下桥臂关闭时刻作为模/数转换器的同步参考时刻，以所述同步参考时刻为起始时刻，延迟设定的时间后启动模/数转换器对采样电阻上的压降进行采样，得到相应采样时刻的电压U；

(4)、根据欧姆定律U＝IR，得到每相采样电阻对应的绕组相电流I。

根据本发明的电流检测方法，其特征在于，启动模/数转换器进行电流采样的参考时刻既可以通过控制器内部计数器中断获得，亦可通过外部的延迟电路触发获得。

根据本发明的电流检测方法，其特征在于，本发明电流检测方法的延迟设定的时间为载波周期95％以上。

根据本发明的电流检测方法，其特征在于，本发明的脉宽调制方式包括空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)和正弦型脉冲宽度调制(SPWM)。

综上所述，本发明的测量电机绕组电流的检测电路及电流采样方法，采用连接在逆变器的下桥臂的采样电阻进行绕组电流采样，成本低廉，控制逻辑简单，本发明的电阻采样方案适用于SPWM和SVPWM两种不同驱动方式，有利于产业的推广应用。

附图说明

图1是直接绕组串联采样电阻的示意图；

图2为现有技术的IR公司的单电阻采样技术的采样电阻安装示意图；

图3为现有技术的IR公司的SVPWM单电阻采样时序控制过程图；

图4为本发明实施例的采样电阻安装位置示意图；

图5为本发明的三相绕组电流中的一相绕组电流在采样电阻上的压降脉冲示意图；

图6为本发明的采样电阻上的相电流压降脉冲宽度变化示意图。

具体实施方式

为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施方式、结构特征，对本发明的具体结构及其功效，详细说明如下。

图4为本发明实施例的采样电阻安装位置示意图。如图4所示，本发明的测量电机绕组电流的检测电路，包括逆变器和连接逆变器的三相绕组电机，所述逆变器包括三个上桥臂和三个下桥臂、以及与所述三个上桥臂连接的三个开关器件K1、K3、K5和与所述三个下桥臂连接的另外三个开关器件K2、K4、K6；逆变器通过所述开关器件与三相绕组电机相连；此外，还包括串联于逆变器的三个下桥臂和连接该三个下桥臂的三个开关器件之间的三个采样电阻Ru、Rv、Rw，每当各桥臂的下半臂导通时，流经采样电阻的电流必然是其所在相绕组的电流，因采样电阻均接在母线的地线上，于是可以直接在采样电阻与下桥臂开关连接处采集采样电阻上的压降，即可以得到绕组电流。由于三相绕组电流是平衡关系，其和始终为零，故实际只需要在其中逆变器的任意两个下桥臂上串联连接安装采样电阻即可，当然，安装三个采样电阻也是可以的。当逆变器的下桥臂的开关器件导通后，与采样电阻对应的绕组电流就会流经采样电阻，在电阻上形成压降。如上所述的测量电机绕组电流的检测电路。对于所述采样电阻的采样频率，其最大值为控制所述三个桥臂的开关的载波频率，利用三相绕组电机脉宽调制器的载波周期特征，以逆变器的下桥臂关闭时刻作为模/数转换器的同步参考时刻，以所述同步参考时刻为起始时刻，延迟设定的时间后启动模/数转换器对采样电阻上的压降进行采样，得到相应采样时刻的电压U；再根据欧姆定律U＝IR，得到每相采样电阻对应的绕组相电流I。对于启动模/数转换器进行电流采样的参考时刻既可以通过控制器内部计数器中断获得，亦可通过外部的延迟电路触发获得。通常延迟设定的时间为载波周期95％以上。

图5为本发明的三相绕组电流中的一相绕组电流在采样电阻上的压降脉冲示意图。如图5，虚线为连接采样电阻的绕组电机的绕组电流的实际变化过程，矩形脉冲的幅度受到虚线的调制，矩形脉冲就是绕组电流在采样电阻上形成的压降。采样电阻上的电流脉冲会随着PWM控制而呈现脉冲宽度不断变化的特点。以图4中K2控制时序为例，图6中有三个K2通断控制信号，低电平截止，高电平导通，脉冲宽度调整示意波形，分别为K2导通占空比大于0.5、等于0.5和小于0.5。图5中的电流脉冲存在的时间就对应于图6正脉冲持续时间，对于这种特点，A/D转换器(Analog to Digital Converter)采样的时刻必须受控。本发明在具体实施例中，对于绕组电流的采样频率最大值即为载波频率，由于驱动电压是通过载波调制的，因此超过载波频率的电流采样也是无意义的。

以U相电流采集为例：将A/D采集电路接至K2与Ru的连接处与地线之间，以K2的“关闭”时刻为触发时刻(即图6中3个箭头所指的时刻)，延迟所设定的时间(载波周期95％)启动A/D转换器，采样所得电压值即为U相绕组电流在电阻Ru上的压降，再根据欧姆定律就可以算出U相电流。V相与W相的采样过程与如上所述U相电流采集过程是相同的。

下面以SPWM调制方式为例说明本技术的具体实施步骤：

第一步：根据逆变器所要输出的电流动态范围选取适当的采样电阻阻值以适应模/数转换器采样的动态范围。例如逆变器输出电流的动态范围是10A，而A/D转换器的电压采集范围是1V，那么采样电阻的阻值可以选为1V/10A＝0.1Ω。

第二步：确定三相绕组电机脉宽调制器的载波周期，在具体实施例中，可以是SPWM调制器或者SVPWM调制器，在本具体实施例中，以SPWM调制器作为说明，设定SPWM的频率是5KHz，则SPWM的载波周期为200μs(微秒)，为了使得模/数转换器的采样时刻同步于所述逆变器的三个下桥臂的开关器件的关闭时刻，延迟设定的时间为190μs。从图6可以看出不论正脉冲(下桥臂的下方开关导通时间)的宽窄如何，在正脉冲的下降沿(图6中箭头所指)左侧邻域都是电流压降的稳定区域，故A/D转换器采样时刻要同步于图4中开关器件K2、K4、K6的关闭时刻，延迟设定的时间为载波周期的95％，在具体实施中，延迟设定的延迟时间尽可能趋近于载波周期，否则会限制载波调制的动态范围，在本具体实施例中延迟设定的时间为190μs。

第三步：模/数转换器采样的同步参考时刻可通过控制芯片内的脉宽调制器的发生器的计数中断得到，以中断时刻为起始延迟设定的时间后启动A/D转换器采样；也可以通过外部所设置的延迟电路触发(下桥臂控制信号触发中断)AD转换器采样的启动。获取对应桥臂下桥臂开关的关闭时刻，此时刻之前即为本桥臂采样电阻上电流压降的采样时刻。利用载波的周期性特征，采样时刻可以从上一周期的下桥臂开关关闭时刻为起始，延迟适当的时间(如载波周期的95％)即可在下桥臂开关的关闭时刻前夕启动模数转换器进行电流压降采样。采得每一桥臂上的采样电阻的压降后，根据欧姆定律U＝IR，就可得到每相采样电阻对应的绕组相电流。为了尽可能减小对调制幅度的限制，延迟设定的时间为应尽量逼近载波周期，如95％以上，但要保证采样点落在关闭之前。如上所述，根据上述步骤，本发明即可实现在SPWM调制方式下的绕组电流的采集，当然，本领域的技术人员也可以根据上述的具体实施方式的描述，将上述SPWM的电流采样方法应用于SVPWM调制方式下的电流采样方法。因此，本发明应用低廉的采样电阻替换霍尔传感器，以支持电机的绕组电流的检测，进而达到降低成本，提高电流采样的可靠性的目的。

本发明通过采用连接在逆变器的下桥臂的采样电阻进行电机绕组电流采样，成本低廉，控制逻辑简单，本发明的电阻采样结构适用于SPWM(Sine Pulse Width Modulation即正弦型脉冲宽度调制)和SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation即空间矢量脉冲宽度调制)两种不同驱动方式的电机绕组电流的检测，其对于电机(尤其是永磁同步电机)驱动控制产品的推广与量产大有裨益。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种测量电机绕组电流的检测电路，包括逆变器和连接逆变器的三相绕组电机，所述逆变器包括三个上桥臂和三个下桥臂、以及与所述三个上桥臂连接的三个开关器件(K1、K3、K5)和与所述三个下桥臂连接的另外三个开关器件(K2、K4、K6)；逆变器通过所述开关器件与三相绕组电机相连；其特征在于，还包括至少两个采样电阻(Ru、Rv或Rw)，所述至少两个采样电阻分别串联于逆变器的至少任意两个下桥臂和连接该至少任意两个下桥臂的两个开关器件之间。

2.根据权利要求1所述的测量电机绕组电流的检测电路，其特征在于还包括第三个采样电阻(Ru、Rv或Rw)，所述第三个采样电阻串联连接于逆变器的第三个下桥臂端和连接该第三个下桥臂的开关器件之间。

3.根据权利要求1或2所述的测量电机绕组电流的检测电路，其特征在于，所述采样电阻的采样频率最大值为控制所述三个桥臂的开关的载波频率。

4.一种根据权利要求1所述的测量电机绕组电流的检测电路的电流检测方法，包括：

(1)、根据逆变器所要输出的电流动态范围选取采样电阻阻值R以适应模/数转换器采样的动态范围；

(2)、确定三相绕组电机脉宽调制器的载波周期；

(3)、利用载波周期性特征，以逆变器的下桥臂关闭时刻作为模/数转换器的同步参考时刻，以所述同步参考时刻为起始时刻，延迟设定的时间后启动模/数转换器对采样电阻上的压降进行采样，得到相应采样时刻的电压U；

(4)、根据欧姆定律U＝IR，得到每相采样电阻对应的绕组相电流I。

5.根据权利要求4所述的电流检测方法，其特征在于，所述步骤(3)启动模/数转换器进行电流采样的参考时刻既可以通过控制器内部计数器中断获得，亦可通过外部的延迟电路触发获得。

6.根据权利要求4所述的电流检测方法，其特征在于，所述步骤(3)的延迟设定的时间为载波周期95％以上。

7.根据权利要求4-6中任一权利要求所述的电流检测方法，其特征在于，所述的脉宽调制方式包括空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)和正弦型脉冲宽度调制(SPWM)。

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