CN110018341B - 相电压检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明相电压检测电路应用于三相电机，三相电机的三相绕组的第一端相接，相电压检测电路包括：将三相绕组的第二端相对于高压地HVGND的高压侧电压转换为低压侧电压的三组比例运算电路，每一比例运算电路均设有第一输入端、第二输入端和输出端，三组比例运算电路的第一输入端分别连接于高压地HVGND，三组比例运算电路的第二输入端分别连接于三相绕组的第二端；用于采样低压侧电压、根据低压侧电压判断电机状态类型、根据低压侧电压和比例运算电路的放大系数计算电机相电压的控制模块，控制模块连接于三组比例运算电路的输出端。本发明避开了高压侧走线交错，而且保留了信号的绝对值，从而可以识别出系统的安全状态。

Description

相电压检测电路

技术领域

本发明涉及车用电机控制器领域，具体涉及一种相电压检测电路。

背景技术

在车用电机控制器领域，电机驱动拓扑如图1所示，为满足越来越严格的汽车行驶安全要求以及ISO26262标准，常常需要检测相电压和相电流做扭矩估算，扭矩估算电路监测到扭矩异常后，可以通过桥臂使电机进入上主动短路或者下主动短路两种安全状态。一般相电流检测通过有磁芯的霍尔电流传感器(以LEM为代表)或无磁芯的霍尔电流传感器(以Allegro，Infineon为代表)，而相电压检测由于系统中没有引出电机的虚拟中性点。Y型绕组的中间点是相电压值的参考点，3相电压分别为Y型绕组的3个端点对中间点的电压，但是由于中间点在绕组内部，无法引出，因此必须通过一种间接的方式将相电压的信息从绕组中传递出来通常使用U，V，W三路开关中点电压重构虚拟电压中性点，然后再将开关中点电压与虚拟电压中性点做差分放大，然而这种实现方式存在两个问题：

(1)U，V，W三路开关中点电压均为高频高压的PWM信号，由于重构虚拟中性点，需要在三相之间做交错走线，使得布局布线较为复杂，需要小心控制；

(2)无法检测到扭矩异常后，系统进入了上主动短路或者下主动短路中的哪种安全状态。

(3)由于Y型绕组位于高压母线侧，而进行相电压解析控制的控制核心在低压侧，因此相电压检测电路必须具备一定的绝缘电阻，满足高低压侧绝缘要求。

因此，有必要针对上述缺陷提出一种方案，解决布局布线复杂、无法检测安全状态类型的缺陷。

发明内容

为了解决现有技术中布局布线复杂、无法检测安全状态类型的缺陷，本发明提供了一种相电压检测电路。

本发明相电压检测电路，应用于三相电机，所述三相电机的三相绕组的第一端相接，所述相电压检测电路包括：

将三相绕组的第二端相对于高压地HVGND的高压侧电压转换为低压侧电压的三组比例运算电路，每一所述比例运算电路均设有第一输入端、第二输入端和输出端，三组所述比例运算电路的第一输入端分别连接于所述高压地HVGND，三组所述比例运算电路的第二输入端分别连接于所述三相绕组的第二端；

用于采样所述低压侧电压、根据所述低压侧电压判断电机状态类型、根据所述低压侧电压和所述比例运算电路的放大系数计算电机相电压的控制模块，所述控制模块连接于三组所述比例运算电路的输出端。

本发明将高压侧的三路开关中点电压分别通过差分放大进入低压侧，然后采样并获取每路信号的绝对值，在控制模块内部即可得到线电压值，从而反算出相电压值，通过这种实现方式避开了高压侧走线交错，而且保留了信号的绝对值，从而可以识别出系统的安全状态。

本发明相电压检测电路的进一步改进在于，所述控制模块包括用于采样所述低压侧电压、对所述低压侧电压进行模数转换的模数转换单元，所述模数转换单元的输入端连接于所述比例运算电路的输出端。

本发明相电压检测电路的更进一步改进在于，所述控制模块还包括连接于所述模数转换单元的输出端、根据模数转换后的低压侧电压判断电机主动短路安全状态类型的第一控制单元，所述主动短路安全状态类型包括上主动短路状态和下主动短路状态。

本发明相电压检测电路的更进一步改进在于，所述控制模块还包括根据模数转换后的低压侧电压和所述比例运算电路的放大系数计算电机相电压的第二控制单元，所述第二控制单元连接于所述模数转换单元的输出端。

本发明相电压检测电路的更进一步改进在于，所述比例运算电路为差分放大电路。

本发明相电压检测电路的更进一步改进在于，每一所述比例运算电路包括运算放大器A1、电阻R3、电阻R4和电容C2，所述电阻R3的第一端连接于绕组的第二端，所述电阻R3的第二端连接于所述运算放大器的反相输入端，所述运算放大器的同相输入端连接于所述高压地HVGND，所述电阻R4连接于所述运算放大器的反相输入端和输出端之间，所述电容C2并联于所述电阻R4。

本发明相电压检测电路的更进一步改进在于，每一所述比例运算电路还包括平衡电阻R2，所述平衡电阻R2的第一端连接于所述运算放大器的同相输入端，所述平衡电阻R2的第二端连接于所述高压地HVGND。

本发明相电压检测电路的更进一步改进在于，每一所述比例运算电路还包括滤波电路。

本发明相电压检测电路的更进一步改进在于，所述滤波电路包括电阻R1和电容C1，所述电阻R1连接于所述运算放大器的同相输入端和所述高压地HVGND之间，所述电容C1并联于所述电阻R2。

本发明相电压检测电路的更进一步改进在于，所述第二控制单元根据以下公式计算所述电机相电压：

其中：

HU＝LU×(1+j×ω×R4×C2)/(R4/R3)

HV＝LV×(1+j×ω×R4×C2)/(R4/R3)

HW＝LW×(1+j×ω×R4×C2)/(R4/R3)

其中，U、V和W分别为三相绕组的相电压；UV、VW和WU分别为三相绕组的线电压；HU、HV和HW分别为三相绕组的第二端相对于高压地HVGND的高压侧电压；LU、LV和LW分别为所述比例运算电路转换得到的低压侧电压。

附图说明

图1为三相电机的驱动拓扑。

图2为三相电机的绕组的Y形接法示意图。

图3为绕组与驱动拓扑的连接关系示意图。

图4为本发明实施例的相电压检测电路的电路结构示意图。

图5为本发明实施例的比例运算电路的电路结构示意图。

具体实施方式

为了解决现有技术中布局布线复杂、无法检测安全状态类型的缺陷，本发明提供了一种相电压检测电路。

下面结合附图和具体实施例对本发明相电压检测电路作进一步说明。本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。

结合图2至图5所示，本发明相电压检测电路应用于三相电机，三相电机的三相绕组的第一端相接，相电压检测电路包括：将三相绕组的第二端相对于高压地HVGND的高压侧电压转换为低压侧电压的三组比例运算电路20，每一比例运算电路20均设有第一输入端、第二输入端和输出端，三组比例运算电路20的第一输入端分别连接于高压地HVGND，三组比例运算电路20的第二输入端分别连接于三相绕组的第二端；

用于采样低压侧电压、根据低压侧电压判断电机状态类型、根据低压侧电压和比例运算电路20的放大系数计算电机相电压的控制模块30，控制模块30连接于三组比例运算电路20的输出端。

如图2和图3所示，通常电机M的三相绕组采用Y型接法。U相绕组的第一端U1、V相绕组的第一端V1、W相绕组的第一端W1相连接，并形成节点N；U相绕组的第二端U2、V相绕组的第二端V2、W相绕组的第二端W2分别连接于驱动电路，驱动电路如三相电压型桥式逆变电路，包括MOS管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6。

如图3所示，本发明中，将驱动电路开关中点U、V、W三相对HVGND的高压PWM信号通过比例运算电路20转换成低压侧的PWM信号LU、LV、LW；通过控制模块30采样LU、LV、LW三路信号得到LU、LV、LW，并将其从模拟信号转换为数字信号，得到低压侧电压的电压值；控制模块30根据低压侧电压值的大小判断电机处于何种安全状态；控制模块30还会将低压侧电压值转换为电机相电压值。本发明布局布线简单，不仅可以获取电机相电压的电压值大小，而且可以检测系统进入何种安全状态。

本发明中，比例运算电路20将三相绕组第二端(U2，W2，V2)相对于高压地HVGND(即高压电池负端)的电压转换为低压端相对于低压地(即低压电池负端)的电压。3个比例运算电路20的第二端分别接U2，V2，W2，3个比例电路的第一端都接到HVGND，即高压电池HVUDC的负端。

进一步地，控制模块30包括用于采样低压侧电压、对低压侧电压进行模数转换的模数转换单元，模数转换单元的输入端连接于比例运算电路20的输出端。

本实施例中，控制模块30的模数转换单元设有三个AD端口，三个AD端口分别连接于三组比例运算电路20的输出端。分别使用三组ADC通道，如ADC1.X、ADC2.X、ADC3.X，同时采样LU、LV、LW三路信号得到LU、LV、LW，并将其从模拟信号转换为数字信号，得到低压侧电压值。

更进一步地，控制模块30还包括连接于模数转换单元的输出端、根据模数转换后的低压侧电压判断电机主动短路安全状态类型的第一控制单元，主动短路安全状态类型包括上主动短路状态和下主动短路状态。

本实施例中，第一控制单元连接于模数转换单元并接收数字信号(低压侧电压的电压值)，根据低压侧电压值的大小判断电机处于何种安全状态。

一般在上电或者下电过程中，汽车电机控制器会对其安全机制和关断路径进行检查：在控制端伪造一个故障，然后判断系统是否进入相应的保护状态，否则系统自检不过，进入故障状态。而系统有没有进入相应的保护状态，需要通过保护状态下的某个信号来识别。

本发明相电压检测电路提供了一种新的相电压检测方案，经过比例运算电路20后，若系统进入上ASC，则LU、LV、LW为5V；若系统进入下ASC，则LU、LV、LW为0V。因此，在本实施例中，当低压侧电压值为5V时，说明系统进入上ASC；当低压侧电压值为0V时，说明系统进入下ASC。

上主动短路，也称上ASC，下主动短路也称下ASC。当系统进入上ASC时，Q1，Q3，Q5导通，Q2，Q4，Q6断开，U、V、W对HVGND的电压都为母线电压HVUDC；当系统进入下ASC时，Q2，Q4，Q6导通，Q1，Q3，Q5断开，U、V、W对HVGND的电压都为0。

更进一步地，控制模块30还包括根据模数转换后的低压侧电压和比例运算电路20的放大系数计算电机相电压的第二控制单元，第二控制单元连接于模数转换单元的输出端。

本实施例中，第二控制单元连接于模数转换单元并接收数字信号(低压侧电压的电压值)，将低压侧电压值转换为电机相电压值。具体地，根据比例运算电路20的放大系数和低压侧电压值进行相应的计算，得到三相绕组相对于高压地HVGND的高压侧电压，进而得到线电压，由线电压计算得到相电压。

更进一步地，比例运算电路20为差分放大电路。

更进一步地，每一比例运算电路20包括运算放大器A1、电阻R3、电阻R4和电容C2，电阻R3的第一端连接于绕组的第二端，电阻R3的第二端连接于运算放大器的反相输入端，运算放大器的同相输入端连接于高压地HVGND，电阻R4连接于运算放大器的反相输入端和输出端之间，电容C2并联于电阻R4。

更进一步地，每一比例运算电路20还包括平衡电阻R2，平衡电阻R2的第一端连接于运算放大器的同相输入端，平衡电阻R2的第二端连接于高压地HVGND。

更进一步地，每一比例运算电路20还包括滤波电路。

更进一步地，滤波电路包括电阻R1和电容C1，电阻R1连接于运算放大器的同相输入端和高压地HVGND之间，电容C1并联于电阻R2。

更进一步地，第二控制单元根据以下公式计算电机相电压：

其中：

HU＝LU×(1+j×ω×R4×C2)/(R4/R3)

HV＝LV×(1+j×ω×R4×C2)/(R4/R3)

HW＝LW×(1+j×ω×R4×C2)/(R4/R3)

其中，U、V和W分别为三相绕组的相电压；UV、VW和WU分别为三相绕组的线电压；HU、HV和HW分别为三相绕组的第二端相对于高压地HVGND的高压侧电压；LU、LV和LW分别为比例运算电路转换得到的低压侧电压。

本实施例中，第二控制单元从模数转换单元获取LU、LV和LW的数值；结合比例运算电路20的放大系数计算HU、HV和HW；将HU和HV相减得到线电压UV，将HV和HW相减得到线电压VW，将HW和HU相减得到线电压WU；根据线电压与相电压之间的关系计算得到相电压。

更进一步地，本实施例中，

ADC.LU、ADC.LV和ADC.LW分别为模数转换单元采样低压侧电压得到的采样电压，第一控制单元根据采样电压的大小判断电机安全状态，第二控制单元根据采样电压计算低压侧电压LU、LV和LW，再进一步计算得到相电压。

本发明应用在新能源汽车电机控制器中，包括比例运算电路20(起到模拟信号调理的作用)和具有模数转换功能的控制模块30，其中比例运算电路20为典型的带有一阶低通滤波的差分放大电路，模数转换单元包括ADC通道ADC1.X，ADC2.X，ADC3.X。

比例运算电路20将开关中点U、V、W对HVGND的高压PWM信号通过电阻R1，R2，R3，R4，电容C1，C2，运放A1构成的差分放大电路转换成低压侧的PWM信号LU、LV、LW。

模块转换单元分别使用三组不同ADC的相同通道，如ADC1.X，ADC2.X，ADC3.X，同时采样LU、LV、LW三路信号，得到LU、LV、LW。

通过ADC采样值和放大系数，可以分别获取到同一时刻U、V、W对HVGND的电压值，记为HU、HV、HW，转换成相对参考系，令H电压值两两相减，HU-HV、HV-HW、HW-HU可得到线电压值UV、VW、WU。通过线电压和相电压的换算关系即可得到相电压值。

当系统进入上主动短路状态时，U、V、W均短路到HV+，当系统进入下主动短路状态时，U、V、W均短路到HVGND，因此通过检测到的U、V、W对HVGND的绝对值即可判别出系统处于哪种安全状态。

本发明可以避免将中性点引出，利用了线电压与相电压之间的数学关系，通过对线电压信息解析，获取相电压信息，通过间接的方式将相电压的信息从绕组中传递出来；通过差分放大电路的大阻值缩放电阻，来满足高低压侧的绝缘电阻要求。本案在模数转换这一步，获取的是U、V、W三相对高压GND的绝对电压值，然后去对三个获取值做减法，因此不会丢掉绝对值的信息。得益于本案的实施方式，本案能区分出上主动短路和下主动短路。

以U相为例，U相的正端连接到同相输入端，U相的负端连接到HVGND；转换公式说明以U相为例，设高压侧U相对高压地线HVGND的电压侧为HU。差分放大器的输入为HU，典型的差分放大电路参数满足，R1＝R3，R2＝R4，C1＝C2，差分放大器的输出为LU，HU＝LU*(1+j*ω*R4*C2)/(R4/R3)；LU到ADC采样之间的关系满足ADC.LU/LU＝5/2^12。

本发明还可检测安全状态，即检测系统处于上ASC还是下ASC。当系统处于上ASC的安全状态时，HU、HV、HW都等于HVUDC，因此LU、LV、LW都等于5V，模数转换单元可以通过读LU、LV、LW三个电压值，判断出系统是否处于上ASC的安全状态；当系统处于下ASC的状态时，HU、HV、HW都等于HVGND，因此LU、LV、LW都等于0，模数转换单元可以通过读LU、LV、LW三个电压值，判断出系统是否处于上ASC的安全状态；这得益于本案中模数转换单元可以接收得到HU、HV、HW对HVGND的绝对值信息，而不是由模数转换单元接收得到的HU-HV、HV-HW、HW-HU，即UV、VW、WU。本发明是分辨出HU、HV、HW的绝对值的。

本发明将高压侧的三路开关中点电压分别通过差分放大进入低压侧，然后将三路低压信号送至不同ADC组的相同通道，采样时同时触发3路采样，获取每路信号的绝对值，在控制模块30内部即可得到线电压值，从而反算出相电压值，通过这种实现方式避开了高压侧走线交错，而且保留了信号的绝对值，从而可以识别出系统的安全状态。

以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

需要说明的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。

Claims (10)

1.一种相电压检测电路，应用于三相电机，所述三相电机的三相绕组的第一端相接，其特征在于，所述相电压检测电路包括：

将三相绕组的第二端相对于高压地HVGND的高压侧电压转换为低压侧电压的三组比例运算电路，每一所述比例运算电路均设有第一输入端、第二输入端和输出端，三组所述比例运算电路的第一输入端分别连接于所述高压地HVGND，三组所述比例运算电路的第二输入端分别连接于所述三相绕组的第二端；

用于采样所述低压侧电压、根据所述低压侧电压判断电机状态类型和/或根据所述低压侧电压和所述比例运算电路的放大系数计算电机相电压的控制模块，所述控制模块连接于三组所述比例运算电路的输出端。

2.如权利要求1所述的相电压检测电路，其特征在于：所述控制模块包括用于采样所述低压侧电压、对所述低压侧电压进行模数转换的模数转换单元，所述模数转换单元的输入端连接于所述比例运算电路的输出端。

3.如权利要求2所述的相电压检测电路，其特征在于：所述控制模块还包括连接于所述模数转换单元的输出端、根据模数转换后的低压侧电压判断电机主动短路安全状态类型的第一控制单元，所述主动短路安全状态类型包括上主动短路状态和下主动短路状态。

4.如权利要求3所述的相电压检测电路，其特征在于：所述控制模块还包括根据模数转换后的低压侧电压和所述比例运算电路的放大系数计算电机相电压的第二控制单元，所述第二控制单元连接于所述模数转换单元的输出端。

5.如权利要求4所述的相电压检测电路，其特征在于：所述比例运算电路为差分放大电路。

6.如权利要求5所述的相电压检测电路，其特征在于：每一所述比例运算电路包括运算放大器A1、电阻R3、电阻R4和电容C2，所述电阻R3的第一端连接于绕组的第二端，所述电阻R3的第二端连接于所述运算放大器的反相输入端，所述运算放大器的同相输入端连接于所述高压地HVGND，所述电阻R4连接于所述运算放大器的反相输入端和输出端之间，所述电容C2并联于所述电阻R4。

7.如权利要求6所述的相电压检测电路，其特征在于：每一所述比例运算电路还包括平衡电阻R2，所述平衡电阻R2的第一端连接于所述运算放大器的同相输入端，所述平衡电阻R2的第二端连接于所述高压地HVGND。

8.如权利要求7所述的相电压检测电路，其特征在于：每一所述比例运算电路还包括滤波电路。

9.如权利要求8所述的相电压检测电路，其特征在于：所述滤波电路包括电阻R1和电容C1，所述电阻R1连接于所述运算放大器的同相输入端和所述高压地HVGND之间，所述电容C1并联于所述电阻R2。

10.如权利要求9所述的相电压检测电路，其特征在于，所述第二控制单元根据以下公式计算所述电机相电压：

其中：

HU＝LU×(1+j×ω×R4×C2)/(R4/R3)

HV＝LV×(1+j×ω×R4×C2)/(R4/R3)

HW＝LW×(1+j×ω×R4×C2)/(R4/R3)

其中，U、V和W分别为三相绕组的相电压；UV、VW和WU分别为三相绕组的线电压；HU、HV和HW分别为三相绕组的第二端相对于高压地HVGND的高压侧电压；LU、LV和LW分别为所述比例运算电路转换得到的低压侧电压。

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