CN104950158A - 一种电流信号的采集电路及其采集系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电流信号的采集电路及其采集系统,所述采集电路包括:外界电流转化为电压信号电路以及电流信号输入和调理电路,所述外界电流转化为电压信号电路用于将外界主回路的电流信号转化为MCU控制系统能够识别的电压信号,所述电压信号与外接主回路的电流信号成线性比例关系;所述外界电流转化为电压信号电路实现电流信号采样并输出后,输入到电流信号输入和调理电路,进行电压信号的防护处理和滤波处理,最后把信号传送至外部的MCU控制系统。本发明电路体积小,可以直接放置在主回路的PCB电路板上面,节省空间;硬件成本低,控制精度高,MCU控制系统所需要采集的方法和算法简单,还实现了控制回路信号和主回路的电气隔离作用。

Description

一种电流信号的采集电路及其采集系统
技术领域
本发明涉及一种采集电路,尤其涉及一种电流信号的采集电路,并涉及采用了该电流信号的采集电路的采集系统。
背景技术
在新能源汽车的小电机控制器领域中,车上有很多此设备,如空调电机和转向电机等,其功率都在10KW内且各个主回路的电流小于50A,为了准确的实现控制,一般都需要检测电机控制系统主回路的电流。
目前在该领域内,有四种常用的电流采集方法:1)很多均是用功率采样电阻串联在主电流回路中,这种方法硬件成本较低,但是软件计算较麻烦,会占用很多MCU资源,主回路和控制回路不隔离;2)采用小量程的电流霍尔传感器,硬件成本较高,采样电路简单,MCU采用计算较简单,主回路和控制回路需要隔离;3)采用电流互感器的方式,自己搭建电路,硬件成本较低,MCU采用计算较简单,主回路和控制回路需要隔离;4)采用无电流检测的开环控制,要实现电机的扭矩和转速的精确控制,就需要比较复杂的算法来控制电机,此法不需要硬件采集电路,成本最省,但是控制模型复杂,软件算法十分复杂。
以上这4个电路采集方法,各有不同的缺陷,均不适应于新能源汽车的小电机控制器领域中的小电流采集,即不适应与小于50A的主回路电路采集。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是需要提供一种硬件成本不高,可以实现控制回路信号和主回路的隔离作用,使得采用了该电流信号的采集电路MCU采样计算比较简单,并且适合应用于小电机控制器领域的电流信号的采集电路及其采集系统。
对此,本发明提供一种电流信号的采集电路,包括:外界电流转化为电压信号电路以及电流信号输入和调理电路,所述外界电流转化为电压信号电路用于将外界主回路的电流信号转化为MCU控制系统能够识别的电压信号,所述电压信号与外接主回路的电流信号成线性比例关系;所述外界电流转化为电压信号电路实现电流信号采样并输出后,输入到电流信号输入和调理电路,进行电压信号的防护处理和滤波处理,最后把信号传送至外部的MCU控制系统,进而实现控制回路信号和主回路之间的隔离。
本发明的进一步改进在于,所述电流信号输入和调理电路包括相互连接的信号防护电路单元和滤波电路单元,所述信号防护电路单元先将接收到的电压信号进行信号的防护处理,然后通过滤波电路单元将信号的干扰和尖刺滤掉,最后把信号传送至MCU控制系统进行计算和处理。
本发明的进一步改进在于,所述外界电流转化为电压信号电路包括电流采样元件、主电路电源、霍尔驱动电路单元、信号偏移补偿器、逻辑控制器、第一运算放大器、程序控制器、调制过滤器以及第二运算放大器,所述主电路电源通过霍尔驱动电路单元连接至电流采样元件,所述外界主回路的电流信号通过电流采样元件连接至信号偏移补偿器, 所述主电路电源的输入端与程序控制器相连接,所述主电路电源的输出端与逻辑控制器相连接,所述程序控制器通过逻辑控制器连接至第一运算放大器的输入端,所述信号偏移补偿器连接至第一运算放大器的同相输入端和反向输入端,所述第一运算放大器的输出端通过调制过滤器连接至第二运算放大器的同相输入端和反向输入端,所述第二运算放大器的输出端连接至电流信号输入和调理电路。
本发明的进一步改进在于,所述外界电流转化为电压信号电路还包括温度传感器,所述温度传感器与逻辑控制器相连接。
本发明的进一步改进在于,所述外界电流转化为电压信号电路还包括用于实现软硬件共同作用的信号偏移补偿的敏感控制单元,所述逻辑控制器通过敏感控制单元连接至第一运算放大器的输入端。所述敏感控制单元可以理解为因为温度原因导致的线性度误差,然后采取硬件电路予以偏移补偿,在实现手段上,就是采用运算放大器的加减法原理来实现。
本发明的进一步改进在于,所述外界电流转化为电压信号电路还包括用于实现软件信号偏移补偿的偏移控制单元,所述逻辑控制器通过偏移控制单元连接至第二运算放大器的输入端。由于电流采集元件等导致的线性度误差和偏移误差,本发明通过偏移控制单元把他们的偏移量予以补偿,在实现手段上,其实可以采用运算放大器的加减法原理来实现;其实上述的敏感控制单元和偏移控制单元这二种偏移量,都需要理论值和经验数据作为参考,可以根据实际采用的软硬件方案进行设置和测试。
本发明还提供一种电流信号的采集系统,包括如上所述的电流信号的采集电路,还包括主回路、电机、MCU控制系统、PWM信号电路单元以及PWM保护和放大电路单元;所述电流信号的采集电路设置在主回路中,所述电机分别与主回路和MCU控制系统相连接,所述MCU控制系统通过PWM信号电路单元连接至PWM保护和放大电路单元,所述PWM保护和放大电路单元与主回路相连接;当电机运行后,外界的电流信号经过采集电路转化为MCU控制系统可以识别的电压信号,然后传送到MCU控制系统中进行AD转化和计算,进而输出外界需要的控制信号。
本发明的进一步改进在于,所述电流信号的采集电路设置于电机的ABC三相绕组的输入端,所述电机的ABC三相电流输入端分别通过电流信号的采集电路连接至主回路,所述电机的ABC三相电流输入端分别通过电流信号的采集电路连接至MCU控制系统。
本发明的进一步改进在于,所述电流信号的采集电路设置于主回路的功率器件的下桥臂,所述主回路的功率器件的ABC三相功率下桥臂分别通过电流信号的采集电路与PWM保护和放大电路单元相连接。
本发明的进一步改进在于,所述电流信号的采集电路设置于主回路的母线电路采样处,所述外部电源的正极和负极分别通过电流信号的采集电路与主回路相连接。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:所述电流信号的采集电路直接与电机的绕组串联在一起,或者将电流信号的采集电路直接串进主电流回路中;当电机工作时,电机运行的电流就会在电流信号的采样电路中流过,在采样电路的电流采样元件的副边就会产生对应的感应电流,这个感应电流的电流信号经过外界电流转化为电压信号电路就会转化为电压信号,所述电压信号的幅值为0~VCC;然后再将电压信号传送到电流信号输入和调理电路;最后送进MCU控制系统进行运算和处理;本发明在安装方面,因为比较小巧,可以直接放置在主回路的PCB电路板上面,节省空间;在成本上面,硬件成本低,价格低于普通的电流霍尔传感器,控制精度高,并且MCU控制系统所需要采集的方法和算法简单,在工程应用上面比较实用。
附图说明
图1是本发明一种实施例的结构示意图;
图2是现有技术中的电流信号采样电路原理图;
图3是本发明一种实施例对电流采样元件进行信号采集的电路原理图;
图4是本发明另一种实施例的系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明:
实施例1:
如图1所示,本例提供一种电流信号的采集电路,包括:外界电流转化为电压信号电路以及电流信号输入和调理电路,所述外界电流转化为电压信号电路用于将外界主回路的电流信号转化为MCU控制系统能够识别的电压信号,所述电压信号与外接主回路的电流信号成线性比例关系;所述外界电流转化为电压信号电路实现电流信号采样并输出后,输入到电流信号输入和调理电路,进行电压信号的防护处理和滤波处理,最后把信号传送至外部的MCU控制系统,进而实现控制回路信号和主回路之间的隔离。
目前的现有技术中,如图2所示,在小功率电机控制器电流(相电流和母线电流)采集方面,如电机相电流小于50A,很多使用高精度的电流采样电阻和电机绕组串联,构成一个采样主回路;然后把电流采样电阻二端的电压信号分别引入电流信号输入和调理电路,然后采集的信号需要在MCU里面做一些复杂的计算,才得出实际的采样电流;而且这种方式在计算电流的过程中,因为功率管子是有开通或者导通时间序列的,不是任意时刻都开通,因此采集的电流是不连续的,还需要知道此刻功率器件的开通关系,因此比较复杂,需要消耗大量的资源。
现有技术的另外一种方法就是采用电流霍尔传感器,将图2中的电流采样电阻更换为电流霍尔传感器即可,这种方式虽然量程较宽,选择的范围较大,传感器的输出一般是电压信号,但是硬件成本较贵,在小功率电机控制器领域应用不多,工程意义不大。
本例将电流采样元件和电机的绕组串联在一起,如图1所示,通过电流采样元件与IP+进和IP-出相连接,或者直接串进主电流回路以构成主回路;当电机工作时,电机运行的电流就会在电流采样元件中流过,在电流采样元件的副边就会产生对应的感应电流,这个电流信号经过外界电流转化为电压信号电路,就会把这个感应的电流信号转化为电压信号,转化后的电压信号幅值在0~VCC;然后再送到电流信号输入和调理电路;最后送进MCU控制系统进行运算和处理。
所述电流采样元件当原边主动给予电压或者电流信号的时候,通过磁场感应的原理,副边就会输出对应的电压或者电流信号;当原边过主回路的大电流信号的时候,通过磁场感应的原理,副边就会输出对应的电流信号;就实现信号采集的功能,同时也实现了隔离的作用,图3所示的,就是一个简单的对电流采样元件进行信号采集的电路原理图。
如图1所示,本例所述电流信号输入和调理电路包括相互连接的信号防护电路单元和滤波电路单元,所述信号防护电路单元先将接收到的电压信号进行信号的防护处理,然后通过滤波电路单元将信号的干扰和尖刺滤掉,最后把信号传送至MCU控制系统进行计算和处理;所述信号防护电路单元和滤波电路单元的顺序可以更换。
如图1所示,本例所述外界电流转化为电压信号电路包括电流采样元件、主电路电源、霍尔驱动电路单元、信号偏移补偿器、逻辑控制器、第一运算放大器、程序控制器、调制过滤器以及第二运算放大器,所述主电路电源通过霍尔驱动电路单元连接至电流采样元件,所述外界主回路的电流信号通过电流采样元件连接至信号偏移补偿器, 所述主电路电源的输入端与程序控制器相连接,所述主电路电源的输出端与逻辑控制器相连接,所述程序控制器通过逻辑控制器连接至第一运算放大器的输入端(原先为输入端,所述信号偏移补偿器连接至第一运算放大器的同相输入端和反向输入端,所述第一运算放大器的输出端通过调制过滤器连接至第二运算放大器的同相输入端和反向输入端,所述第二运算放大器的输出端连接至电流信号输入和调理电路。
本例所述外界电流转化为电压信号电路还包括温度传感器、用于实现软硬件共同作用的信号偏移补偿的敏感控制单元和用于实现软件信号偏移补偿的偏移控制单元,所述温度传感器与逻辑控制器相连接;所述逻辑控制器通过敏感控制单元连接至第一运算放大器的输入端;所述逻辑控制器通过偏移控制单元连接至第二运算放大器的输入端。
本例所述的外界电流转化为电压信号电路是一个单元电路,主要的作用就是把外界主回路的大电流信号转化为控制单元可以识别的电压信号,所述电压信号具有弱小的电流,并且这个电压信号和主回路的电流是成线性比例关系的;所述可以识别的电压信号可以这样来理解:它是外界电流转化为电压信号电路的输出信号,不管硬件电路怎么处理,最终输出的必定都是电压性质的信号,但是这个电压信号必定有一定的电流限制,不然信号的功耗就会很大,也会烧毁后级的电路及其芯片,本例所述的电压信号是运算放大器的输出信号,该输出信号的电流一般在10mA以下;本例所述的外界电流转化为电压信号电路可以通过Alligro公司的ACS722等专用芯片来实现,也可以自己搭建实现上述功能的电路来实现,最后实现把外界的电流转化为电压信号输出。
所述信号偏移补偿器用于实现硬件方面的信号偏移补偿,因为在实际工程应用中,电流采样元件实际测试的输出和理论值之间必定会有一个误差数值,本例通过信号偏移补偿器可以通过硬件电路予以补偿,即根据实验测试误差值的大小,并通过硬件器件信号偏移补偿器把误差值补偿到硬件回路中。所述敏感控制单元用于实现软硬件一起作用的信号偏移补偿,因为在实际工程应用中,电流采样元件和运算放大器等电子零部件,都会受周围环境的影响,如受到温度和湿度等因素影响,本例把受到环境影响的误差值通过固化的测试和计算后,把它误差值补偿到硬件回路中。所述偏移控制单元用于实现软件控制的信号偏移补偿,因为在实际工程应用中,采用不同量程的电流采样元件,其误差是不一样的,本例把软件对应的误差,通过固化的测试和计算后,把它写进到硬件回路中。
所述外界电流转化为电压信号电路采样电流信号并输出后,就会输入到电流信号输入和调理电路,先进行信号防护,把它的电压信号进行信号的防护处理,不会因为信号的真实性而损坏这个信号的采样采集通道,即不会因为信号过强,如过压或过流等过强的信号而损坏这个信号的采样采集通道;然后进入滤波电路,把信号的干扰尖刺等滤掉,最后把信号送进MCU控制系统进行计算和处理。
实施例2:
如图4所示,本例还提供一种电流信号的采集系统,包括如实施例1所述的电流信号的采集电路,还包括主回路、电机、MCU控制系统、PWM信号电路单元以及PWM保护和放大电路单元;所述电流信号的采集电路设置在主回路中,所述电机分别与主回路和MCU控制系统相连接,所述MCU控制系统通过PWM信号电路单元连接至PWM保护和放大电路单元,所述PWM保护和放大电路单元与主回路相连接;当电机运行后,外界的电流信号经过采集电路转化为MCU控制系统可以识别的电压信号,然后传送到MCU控制系统中进行AD转化和计算,进而输出外界需要的控制信号。
实施例1所述的电流信号的采集电路的位置,如图4所示,可以放置在图4中的三处位置进行电流信号的采集:第一处为电机的相绕组的输入端;第二处为功率器件管子的下桥臂功率器件;第三处为母线电流采样处。这三个电流采样位置可以任意选择一处。
本例主要是描述了实施例1所述的电流信号的采集电路在小功率电机控制器系统中实际的工程应用;因为该电流信号的采集电路的采集量程一般小于50A,该电流信号的采集电路为减小物理布局结构,一般均放置在电路板(PCB)上面,所以在电机控制器领域来说检测电流的范围是比较小的,一般小于50A,若是电流太大,在PCB板的实际工程上面实施的代价太大,没法实际应用。
本例所述电流信号的采集电路优选设置于电机的ABC三相绕组的输入端,所述电机的ABC三相电流输入端分别通过电流信号的采集电路连接至主回路,所述电机的ABC三相电流输入端分别通过电流信号的采集电路连接至MCU控制系统。这是第一处采集位置,该第一处采集位置采集的是电机的相电流,这是最好的采集位置,采集出来的信号经过电流信号的采集电路处理后,后续软件或MCU控制系统可以直接用于控制,算法最简单;这种方式一般都是采集电机的ABC三相电流,所以就需要三路图1所示的电流信号的采集电路。
上述电流信号的采集电路,除了采集电机的相电流外,也可以采集电机输入的母线电流,因此,本例所述电流信号的采集电路还可以设置于主回路的功率器件的下桥臂,所述主回路的功率器件的ABC三相功率下桥臂分别通过电流信号的采集电路与PWM保护和放大电路单元相连接。这是第二处采集位置,第二处采集位置所采集的是ABC三相功率下桥臂的电流,该第二处采集位置所采集出来的信号,需要经过算法的推算才可以把采集的电流等效为电机的相电流,用于后续计算和控制,算法较复杂;但是其优势也很明显,即电路板的结构布局比较简单,工程上面搭建硬件电路比较简单;同样的,这种方式一般也是采集三路功率器件下桥臂的电流,所以同样需要三路图1所示的电流信号的采集电路。
本例所述电流信号的采集电路还可以设置于主回路的母线电路采样处,所述外部电源的正极和负极分别通过电流信号的采集电路与主回路相连接。这是第三处采集位置,该第三处采集位置所采集的是主回路的正极或者负极电流;该采集位置采集出来的电流信号,一般只能做简单的软件算法控制,用于对电机响应和扭矩控制精度不高的领域;这种领域一般只需要采集正极或者负极中的一处电流就可以了,所以只需要一路图1所示的电流信号的采集电路。
实施例1所述的电流信号的采集电路在安装方面,因为比较小巧,可以直接放置在PCB电路板上面,节省空间;在成本上面,这种采集电路价格较便宜,成本低于普通的电流霍尔传感器,控制精度高,而且还可以实现控制信号和主回路高压电源的隔离作用,MCU控制系统控制的采集方法和算法都较为简单,在工程应用上面比较实用。
如图4所示,本例把电流信号的采集电路放置在主回路中,当电机运行后,外界的电流信号,经过外界电流转化为电压信号电路以及电流信号输入和调理电路,就能够把外界的电流信号转化为可以识别的电压信号,送到MCU控制系统中,经过AD转化和计算,给出外界需要的控制信号,如输出PWM信号),从而实现电机控制器在电流方面的控制与保护功能。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干简单推演或替换,都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电流信号的采集电路,其特征在于,包括:外界电流转化为电压信号电路以及电流信号输入和调理电路,所述外界电流转化为电压信号电路用于将外界主回路的电流信号转化为MCU控制系统能够识别的电压信号,所述电压信号与外接主回路的电流信号成线性比例关系;所述外界电流转化为电压信号电路实现电流信号采样并输出后,输入到电流信号输入和调理电路,进行电压信号的防护处理和滤波处理,最后把信号传送至内部的MCU控制系统,进而实现控制回路信号和主回路之间的隔离。
2.根据权利要求1所述的电流信号的采集电路,其特征在于,所述电流信号输入和调理电路包括相互连接的信号防护电路单元和滤波电路单元,所述信号防护电路单元先将接收到的电压信号进行信号的防护处理,然后通过滤波电路单元将信号的干扰和尖刺滤掉,最后把信号传送至MCU控制系统进行计算和处理。
3.根据权利要求1或2所述的电流信号的采集电路,其特征在于,所述外界电流转化为电压信号电路包括电流采样元件、主电路电源、霍尔驱动电路单元、信号偏移补偿器、逻辑控制器、第一运算放大器、程序控制器、调制过滤器以及第二运算放大器,所述主电路电源通过霍尔驱动电路单元连接至电流采样元件,所述外界主回路的电流信号通过电流采样元件连接至信号偏移补偿器, 所述主电路电源的输入端与程序控制器相连接,所述主电路电源的输出端与逻辑控制器相连接,所述程序控制器通过逻辑控制器连接至第一运算放大器的输入端,所述信号偏移补偿器连接至第一运算放大器的同相输入端和反向输入端,所述第一运算放大器的输出端通过调制过滤器连接至第二运算放大器的同相输入端和反向输入端,所述第二运算放大器的输出端连接至电流信号输入和调理电路。
4.根据权利要求3所述的电流信号的采集电路,其特征在于,所述外界电流转化为电压信号电路还包括温度传感器,所述温度传感器与逻辑控制器相连接。
5.根据权利要求3所述的电流信号的采集电路,其特征在于,所述外界电流转化为电压信号电路还包括用于实现软硬件共同作用的信号偏移补偿的敏感控制单元,所述逻辑控制器通过敏感控制单元连接至第一运算放大器的输入端。
6.根据权利要求3所述的电流信号的采集电路,其特征在于,所述外界电流转化为电压信号电路还包括用于实现软件信号偏移补偿的偏移控制单元,所述逻辑控制器通过偏移控制单元连接至第二运算放大器的输入端。
7.一种电流信号的采集系统,其特征在于,包括如权利要求1至6任意一项所述的电流信号的采集电路,还包括主回路、电机、MCU控制系统、PWM信号电路单元以及PWM保护和放大电路单元;所述电流信号的采集电路设置在主回路中,所述电机分别与主回路和MCU控制系统相连接,所述MCU控制系统通过PWM信号电路单元连接至PWM保护和放大电路单元,所述PWM保护和放大电路单元与主回路相连接;当电机运行后,外界的电流信号经过采集电路转化为MCU控制系统可以识别的电压信号,然后传送到MCU控制系统中进行AD转化和计算,进而输出外界需要的控制信号。
8.根据权利要求7所述的电流信号的采集系统,其特征在于,所述电流信号的采集电路设置于电机的ABC三相绕组的输入端,所述电机的ABC三相电流输入端分别通过电流信号的采集电路连接至主回路,所述电机的ABC三相电流输入端分别通过电流信号的采集电路连接至MCU控制系统。
9.根据权利要求7所述的电流信号的采集系统,其特征在于,所述电流信号的采集电路设置于主回路的功率器件的下桥臂,所述主回路的功率器件的ABC三相功率下桥臂分别通过电流信号的采集电路与PWM保护和放大电路单元相连接。
10.根据权利要求7所述的电流信号的采集系统,其特征在于,所述电流信号的采集电路设置于主回路的母线电路采样处,所述外部电源的正极和负极分别通过电流信号的采集电路与主回路相连接。
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