CN103713185B - 交流变频电机的机端电压测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种交流变频电机的机端电压测量装置,为克服：1.若采集直流母线电压换算得到的交流变频电机（3）的端电压误差较大；2.若直接测量交流变频电机（3）的端电压，需要极高的数字采样频率和高速的数字信号处理这是普通控制器无法实现的问题，该测量装置由传感器，采样电阻，1号积分器和2号积分器组成；传感器的输出端与采样电阻的一端电线连接，采样电阻的另一端同时和1号积分器与2号积分器的一端电线连接，采样电阻、1号积分器与2号积分器焊接在同一块电路板上。传感器的输入端接逆变器（2）的PWM电压侧即接交流变频电机（3）的端电压侧；1号积分器与2号积分器的另一端同时与电机控制器（4）中的I/O口电线连接。<!-- 2 -->
Description
技术领域
[0001]本发明涉及一种测量机构，更确切地说，本发明涉及一种交流变频电机的机端电压测量装置。
背景技术
[0002]随着电力电子技术的飞速发展，交流变频电机在工业界得到了广泛应用。在交流变频电机系统中，控制算法是决定系统性能的核心，而传感器采集信号的准确度将直接影响到控制算法的效果。由于交流变频电机的端电压为高频高压的PWM形式，目前无法实现传感器实时测量，所以，目前工业界一般使用电压传感器测量逆变器输入端电压(如图1中Vdc)代替电机端电压(如图1中Vac)。由于这种测量方法无法精确考虑逆变器的电压损失，所以测量的电压误差较大，如何精确获得电机端电压近年来受到了国内外的广泛关注。
[0003]交流变频电机端电压的测量精度不但影响电机控制性能，而且对电机无位置传感器技术的发展有着重要意义。所谓电机无位置传感器技术就是利用电机的电压、电流信息估计电机转子位置信息的一种方法。在可靠性要求不高的应用场合，利用无位置传感器技术可以节约成本，省去购买、安装转子位置传感器的工作;在可靠性要求较高的场合，无位置传感器技术可以作为位置传感器的备份，在位置传感器失效的情况下使系统正常工作。显然，电机端电压测量的精度就会影响到转子位置估计的精度，事实上，无法得到准确的端电压正是影响无位置传感器技术目前无法大面积推广的一个重要因素。
[0004]经文献检索和调研，端电压测量精度对无位置传感器技术性能的影响也是在近5年内才被国外学者所重视，目前国内外均无直接准确测量交流变频电机机端PWM电压的方法。
发明内容
[0005]本发明所要解决的技术问题是克服了现有技术存在:1.若采集直流母线电压，换算得到的端电压无法精确考虑逆变器的压降，误差较大；2.若直接测量电机端电压，由于PWM方波的特性，需要极高的数字采样频率和高速的数字信号处理，普通控制器无法实现的问题，提供了一种交流变频电机的机端电压测量装置。
[0006]为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的:所述的交流变频电机的机端电压测量装置包括传感器，采样电阻，I号积分器和2号积分器；
[0007 ] 传感器的输出端与米样电阻的一端电线连接，米样电阻的另一端同时和I号积分器与2号积分器的一端电线连接。
[0008] 技术方案中所述的传感器选用HV-C04系列的传感器，采样电阻选用型号为0201的贴片电阻，I号积分器与2号积分器选用型号为DIN的I号积分器与型号为DIN的2号积分器。HV-C04系列的传感器的输出端Vc与型号为0201的贴片电阻的一端电线连接，型号为0201的贴片电阻0201的另一端和型号为DIN的I号积分器的Uin端与型号为DIN的2号积分器的Uin端电线连接，型号为0201的贴片电阻、型号为DIN的I号积分器与型号为DIN的2号积分器焊接在同一块电路板上。
[0009] 技术方案中所述的传感器选用LV25-P系列的传感器，采样电阻选用型号为0402的贴片电阻，I号积分器与2号积分器选用型号为OEM的I号积分器与型号为OEM的2号积分器；
[0010] LV25-P系列的传感器的输出端OUT与型号为0402的贴片电阻的一端电缆连接，型号为0402的贴片电阻的另一端和型号为OEM的I号积分器的Uin端与型号为OEM的2号积分器的Uin端电线连接，型号为0402的贴片电阻、型号为OEM的I号积分器与型号为OEM的2号积分器焊接在同一块电路板上。
[0011]技术方案中所述的交流变频电机的机端电压测量装置的输入端通过传感器与逆变器的PWM电压侧即交流变频电机的端电压侧电线连接；
[0012]所述的I号积分器与2号积分器的另一端同时与电机控制器中的I/O 口电线连接；即型号为OEM的I号积分器与型号为OEM的2号积分器的Uout端和电机控制器中控制板的I/O口采用电线连接或者型号为DIN的I号积分器与型号为DIN的2号积分器的Uout端与电机控制器中控制板的I/O 口采用电线连接。
[0013]与现有技术相比本发明的有益效果是:
[0014] 1.参阅图1，由于交流变频电机的端电压为高频高压的PWM形式，目前无法实现传感器实时测量，所以，目前工业界一般使用电压传感器测量逆变器输入直流母线端电压Vdc代替电机端电压Vac。若测量逆变器输入端的直流母线电压，换算得到的端电压无法精确考虑逆变器的压降，误差较大，参阅图3，本发明改进了现有方案，在逆变器的输出端增加了利用运算放大器设计模拟电路的高精度电压测量装置，这样可准确测量出逆变器输出端电压(即电机端电压)，避免由于逆变器压降导致的测量电压误差，从而提高电机的控制性能。
[0015] 2.电机的端电压除了对电机的控制性能有决定性的影响外，对电机的一些应用技术也有很大影响，例如在无位置传感器中利用电机端电压来确定转子位置，而电机端电压测量的精度影响到转子位置估计的精度，这是无位置传感器技术目前无法大面积推广的一个重要因素，本发明提出的测量电机端电压的方法得到了准确的端电压，有利于无位置传感器技术的推广。
[0016] 3.由于交流变频电机的端电压为高频高压的PWM形式，一般频率约为5-20KHZ，而决定该信号幅值的特性则为此高频的方波信号一个周期内高电平脉宽所占时间的比例。
[0017] 如:电机电压PWM频率为1kHz，即P丽周期为10us，若电压采样频率高达IMHz，则其测量精度时间精度为lus，可见其测量误差高达1%，而这样高的采样频率将占用大量单片机的资源，实际应用非常困难。
[0018]而本发明的电路将利用模拟电路，对10us内P丽电压进行积分，显然该积分值与实际输出电压成正比，那么只需在10us后测量该积分值，即可准确得到相应的电机端电压幅值，此时单片机的采样频率只需10kHz，且精度由硬件积分器的性能决定，不占用单片机软件资源。所以本发明在提高电压采样精度的情况下，将大幅度降低控制系统所需的采样频率，降低系统成本。
[0019]因此，通过本发明的测量装置电路，普通工业电机的控制系统用较低的采样频率就可获得电机的端电压，有助于电机控制技术发展。
附图说明
[0020]下面结合附图对本发明作进一步的说明:
[0021 ]图1是交流变频电机控制系统结构组成示意框图；
[0022]图2是传统交流变频电机控制系统结构组成示意框图；
[0023]图3是采用本发明所述的交流变频电机的机端电压测量装置的交流变频电机控制系统结构组成示意框图；
[0024]图4是本发明所述的交流变频电机的机端电压测量装置的结构原理框图；
[0025]图5是本发明所述的交流变频电机的机端电压测量装置各种信号曲线图；
[0026]图中:1.直流电源，2.逆变器，3.交流变频电机，4.电机控制器，5.电压测量装置。
具体实施方式
[0027]下面结合附图对本发明作详细的描述:
[0028]参阅图2，传统交流变频电机控制系统包括直流电源1、逆变器2、交流变频电机3、电机控制器4，直流电源I输出端通过直流母线与逆变器2的输入端相连，逆变器2的输出端通过三相动力线与电机3相连；
[0029]传统交流变频电机控制系统是测量逆变器直流侧电压值Vdc，利用逆变器直流侧电压值Vdc计算交流变频电机机端电压值Vac作为电机控制器4的电压反馈信号。这种传统方法计算得到的交流变频电机机端电压值无法准确考虑逆变器2的非线性效应，从而造成反馈的电机机端电压Vac误差相对较大，不利于高性能电机控制。
[0030]参阅图3，本发明在传统交流变频电机控制系统基础上增加了电压测量装置5，电压测量装置5串联在逆变器2与电机控制器4之间，电压测量装置5的输入端接逆变器2的PWM电压(即电机3端电压)侧，电压测量装置5的输出端与电机控制器4输入端电线连接。电压测量装置5用来测量逆变器2输出电压值Vac，此值消除了间接测量电机端电压信号时逆变器2的影响，可以更为准确的得到电机3端电压。
[0031] 参阅图4，本发明提出的电压测量装置5是由传感器，采样电阻，I号积分器和2号积分器组成，其中积分器主要是利用运算放大器的积分电路实现，I号积分器和2号积分器硬件结构完全相同且并行工作。
[0032]传感器的作用将逆变器2输出高压转化成低压电信号，低压电信号才能被AD采样模块使用。选择传感器时主要考虑被测电压范围，输出信号，具体实施时可以选择HV-C04系列的传感器；
[0033]积分器的作用是利用运算放大器的积分电路得到电压模拟量，这是本发明的核心，积分器的性能决定采集到电压的精度，积分器的设计中还应该具备使能和重置功能，具体实施时积分器可以采用运算放大器设计的积分电路也可选用现成的积分器。
[0034] 传感器的输出端通过电线接采样电阻的一端，采样电阻的另一端接入积分器，两积分器同时用电线接电机控制器4的I/O口，采样电阻和I号积分器与2号积分器焊接在同一块电路板上。
[0035] 实施方案一，HV_C04系列传感器的输出端Vc与型号为0201的贴片电阻的一端电线连接，型号为0201的贴片电阻的另一端同时和型号为DIN的I号积分器的Uin端与型号为DIN的2号积分器的Uin端电线连接，型号为DIN的I号积分器与型号为DIN的2号积分器的Uout端与电机控制器中控制板的I/O 口电线连接，型号为0201的贴片电阻、型号为DIN的I号积分器与型号为DIN的2号积分器焊接在同一块电路板上。
[0036] 实施方案二，LV25-P系列传感器的输出端OUT与型号为0402的贴片电阻一端电线连接，型号为0402的贴片电阻的另一端同时与型号为OEM的I号积分器的Uin端和型号为OEM的2号积分器的Uin端电线连接，型号为OEM的I号积分器和型号为OEM的2号积分器的Uout端与电机控制器中控制板的I/O 口电线连接，型号为0402的贴片电阻、型号为OEM的I号积分器与型号为OEM的2号积分器焊接在同一块电路板上。
[0037]使用本发明所述的电压测量装置的交流变频电机控制系统的工作原理:
[0038] 直流电源I通过直流母线将直流电压供给逆变器2，逆变器2对输入的直流电压进行变换，变换得到的三相方波PWM电压供交流变频电机3工作。
[0039]电机控制器4采集电压测量装置5测量到的交流变频电机3端电压值Vac用于交流变频电机3(即与需求电压作对比调节逆变器2的输出电压值或者进行无位置传感器转子位置估计等工作中)，使交流变频电机3达到需求工作状态。
[0040]参阅图5，本发明所述的交流变频电机的机端电压测量装置的工作原理:
[0041]电机控制器设置I/O管脚发出使能控制信号，分时使能I号积分器和2号积分器，I号积分器和2号积分器按周期交替工作，在第一个周期T使能I号积分器(图中使能I号积分器曲线)，I号积分器将传感器采集到的高速的方波PWM电压信号进行单周期采样-积分-保持，积分器的输出电压信号如图中I号积分器输出曲线所示;第二个周期使I号积分器重置，I号积分器保持积分值，使能2号积分器(图中使能2号积分器曲线)，2号积分器将传感器采集到高速的方波PWM电压信号进行单周期采样-积分-保持，积分器的输出电压信号如图中2号积分器输出曲线所不。
[0042]电机控制器设置I/O管脚发出采样控制信号对I号积分器和2号积分器输出值的分时采样控制(采样控制信号图中的采样信号I和采样信号2)，得到总输出电压值(图中总输出曲线)，此电压值即是电机端电压值。
[0043]利用电压测量装置可以准确得到电机端电压，而且积分器采用高性能的运算放大器的积分电路实现，简单可靠，成本低。
Claims (4)
1.一种交流变频电机的机端电压测量装置，其特征在于，所述的交流变频电机机端电压测量装置包括传感器，采样电阻，I号积分器和2号积分器； 传感器的输出端与米样电阻的一端电线连接，米样电阻的另一端同时和I号积分器与2号积分器的一端电线连接。
2.按照权利要求1所述的交流变频电机的机端电压测量装置，其特征在于，所述的传感器选用HV-C04系列的传感器，采样电阻选用型号为0201的贴片电阻，I号积分器与2号积分器选用型号为DIN的I号积分器与型号为DIN的2号积分器； HV-C04系列的传感器的输出端Vc与型号为0201的贴片电阻的一端电线连接，型号为0201的贴片电阻0201的另一端和型号为DIN的I号积分器的Uin端与型号为DIN的2号积分器的Uin端电线连接，型号为0201的贴片电阻、型号为DIN的I号积分器与型号为DIN的2号积分器焊接在同一块电路板上。
3.按照权利要求1所述的交流变频电机的机端电压测量装置，其特征在于，所述的传感器选用LV25-P系列的传感器，采样电阻选用型号为0402的贴片电阻，I号积分器与2号积分器选用型号为OEM的I号积分器与型号为OEM的2号积分器； LV25-P系列的传感器的输出端OUT与型号为0402的贴片电阻的一端电线连接，型号为0402的贴片电阻的另一端和型号为OEM的I号积分器的Uin端与型号为OEM的2号积分器的Uin端电线连接，型号为0402的贴片电阻、型号为OEM的I号积分器与型号为OEM的2号积分器焊接在同一块电路板上。
4.按照权利要求1所述的交流变频电机的机端电压测量装置，其特征在于，所述的交流变频电机的机端电压测量装置的输入端通过传感器与逆变器(2)的PWM电压侧即交流变频电机(3)的端电压侧电线连接； 所述的I号积分器与2号积分器的另一端同时与电机控制器(4)中的I/O口电线连接;SP型号为OEM的I号积分器与型号为OEM的2号积分器的Uout端和电机控制器(4)中控制板的I/O 口采用电线连接或者型号为DIN的I号积分器与型号为DIN的2号积分器的Uout端与电机控制器(4)中控制板的I/O 口采用电线连接。
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