CN110265965A - 一种适应高压大功率电动舵系统的智能保护电路 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种适应高压大功率电动舵系统的智能保护电路，包括：SVPWM多通道处理模块，快速比较隔离模块与智能保护综合逻辑模块，采用多通道集成电平转换电路、驱动能力强的缓冲电路和微小型高速光电隔离电路，增强了舵系统的动态响应速度和抗干扰能力，解决了单一保护方式存在的逻辑缺陷和系统控制动态响应不足；将两相电流快速比较限流输出信号和软件限流控制信号经逻辑综合运算并经触发器保持后控制SVPWM输出形式能避免系统误保护，电路集程度和智能化高，易于实现，成本低，适应能力强。
Description
技术领域
本发明涉及一种适应高压大功率电动舵系统的智能保护电路。
背景技术
大功率电动舵系统的性能、可靠性与系统的信号处理及隔离、功率开关器件的驱动和保护策略密切相关。高压大功率IGBT或IPM的开关频率一般十几kHz甚至更高，由于电路设计存在不同大小的杂散电感，在高频率下，对整个电路稳定运行将产生很大影响，功率器件关断瞬间会产生很大的浪涌电压，并且产生恢复浪涌电压。关断浪涌电压和恢复浪涌电压的存在，会影响IGBT或IPM正常工作，如开关损耗加大、工作温度过高，甚至造成损坏；同时系统的大电流输出易引起功率管频繁击穿及电磁干扰，导致系统无法正常工作，也可能引起电机过度发热致负载能力下降甚至绕组损坏；此外，大电流输出还对系统电流裕度、地线布局、抗干扰能力等提出更高要求。因此，保护电路是大功率电动舵系统的关键环节之一。
目前高压大功率电动舵系统保护采用母线电流检测电路或者软件电流限幅保护的单一措施，由于系统中关断浪涌电压和恢复浪涌电压以及大电流的存在，母线电流检测电路信号中存在较大的数字信号电路干扰和舵系统强电模拟信号的电流及谐波干扰，会对系统保护造成较大的逻辑缺陷，引起误保护会使舵系统产生不可预知的后果；而软件限流保护方式限流参数难以界定，参数范围较宽不能有效起到系统保护作用，参数范围较小对舵系统动态响应性能不利影响较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种适应高压大功率电动舵系统的智能保护电路，其解决了现有技术方案因系统干扰存在的逻辑缺陷或单一措施存在的不足，同时能满足系统高动态响应性能的需求。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种适应高压大功率电动舵系统的智能保护电路，其特征在于，包括：SVPWM多通道处理模块，用于控制矢量后信号处理器输出的六通道PWM1～PWM6经集成电平转换芯片D1电平转换后输出给缓冲电路D2A，并经上拉电阻R1～R6和限流电阻R7～R12后分别输出至光电隔离电路D3～D5，并进行输出；
快速比较隔离模块，用于对输出的信号经闭环霍尔电流传感器S1检测，并通过由高精密采样电阻RS1和R1、R2、C3组成的T型低通滤波电路处理后输入至电压跟随器的反相端，比较器的输出信号I_A输入至高速光电隔离电路D6，经隔离输出A相限流保护信号1A，比较器的输出信号I_B输入至高速光电隔离电路D6，经隔离输出B相限流保护信号1B；
智能保护综合逻辑模块，用于对比较器输出的1A、1B限流信号和软件限流控制信号2A、2B输入至U16芯片对其进行逻辑或运算，运算结果输入触发器U17A的时钟端，当任意输入到D触较器的信号由低电平变换到高电平时，D触发器输出高电平，控制集成电平转换芯片D1停止输出SVPWM波，进而使驱动电路停止工作。。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
结构简单，包括：SVPWM多通道处理模块，快速比较隔离模块与智能保护综合逻辑模块，采用多通道集成电平转换电路、驱动能力强的缓冲电路和微小型高速光电隔离电路，增强了舵系统的动态响应速度和抗干扰能力，解决了单一保护方式存在的逻辑缺陷和系统控制动态响应不足；将两相电流快速比较限流输出信号和软件限流控制信号经逻辑综合运算并经触发器保持后控制SVPWM输出形式能避免系统误保护，电路集程度和智能化高，易于实现，成本低，适应能力强。
附图说明
图1是本发明的适应高压大功率电动舵系统的智能保护电路的SVPWM多通道处理模块的电路图；
图2是本发明的适应高压大功率电动舵系统的智能保护电路的快速比较隔离模块的电路图；
图3是本发明的适应高压大功率电动舵系统的智能保护电路的智能保护综合逻辑模块的电路图。
具体实施方式
下面通过具体实施方案对本发明作进一步详细描述，但这些实施实例仅在于举例说明，并不对本发明的范围进行限定。
请参照图1至图3，本发明的适应高压大功率电动舵系统的智能保护电路包括：SVPWM多通道处理模块，用于控制矢量后信号处理器输出的六通道PWM1～PWM6经集成电平转换芯片D1电平转换后输出给缓冲电路D2A，并经上拉电阻R1～R6和限流电阻R7～R12后分别输出至光电隔离电路D3～D5，并进行输出；快速比较隔离模块，用于对输出的信号经闭环霍尔电流传感器S1检测，并通过由高精密采样电阻RS1和R1、R2、C3组成的T型低通滤波电路处理后输入至电压跟随器的反相端，比较器的输出信号I_A输入至高速光电隔离电路D6，经隔离输出A相限流保护信号1A，比较器的输出信号I_B输入至高速光电隔离电路D6，经隔离输出B相限流保护信号1B；智能保护综合逻辑模块，用于对比较器输出的1A、1B限流信号和软件限流控制信号2A、2B输入至U16芯片对其进行逻辑或运算，运算结果输入触发器U17A的时钟端，当任意输入到D触较器的信号由低电平变换到高电平时，D触发器输出高电平，控制集成电平转换芯片D1停止输出SVPWM波，进而使驱动电路停止工作。
在一个实施例中，所述SVPWM多通道处理模块包括：集成电平转换芯片D1，高速CMOS增强驱动型六施密特触发器D2A，光电隔离电路微小型高速光耦D3、D4和D5，其中，D1的2脚连接D2A的1脚，D1的3脚连接D2A的3脚，D1的5脚连接D2A的5脚，D1的6脚连接D2A的9脚，D1的8脚连接D2A的13脚，D1的9脚连接D2A的1脚，D1的46脚连接D3的7脚，D1的47脚连接D3的6脚，D1的43脚连接D4的7脚，D1的44脚连接D4的6脚，D1的40脚连接D5的7脚，D1的41脚连接D5的6脚，所述D3的4脚连接电阻R7，1脚连接电阻R8，D4的4脚连接电阻R9，1脚连接电阻R10，D5的4脚连接电阻R11，1脚连接电阻R12。
在一个实施例中，所述D1的型号采用74LVC16T245。
在一个实施例中，所述D2A的型号采用54AC14。
在一个实施例中，所述D3、D4和D5的型号采用GH5231S。
在一个实施例中，所述快速比较隔离模块包括：磁平衡式闭环霍尔电流传感器S1，其2脚连接电阻RS1和R1的一端，所述R1的另一端连接电阻R2的一端，R2的另一端连接电压跟随器N3A，所述电压跟随器N3A的输出端再连接比较器N4A的反相输入端，N4A的输出端通过电阻R8连接光电隔离电路微小型高速光耦D6，D6再连接高速CMOS增强驱动型二施密特触发器D7。
在一个实施例中，所述电压跟随器采用的型号是FX147。
在一个实施例中，所述智能保护综合逻辑模块包括：型号为SN74LS32的芯片U16，其8脚连接D触发器U17A的3脚，U17A的1脚连接电阻R1512和电容C1504，U17A的5脚连接电阻R1511。
在一个实施例中，所述U17A采用的型号为SN74LS74AD。
在一个实施例中，所述S1采用的型号是LA-200。。
在一个实施例中，本发明的高压大功率电动舵系统的智能保护电路：SVPWM多通道处理模块的输入端可引入12通道3.3V数字SVPWM信号，实现5V信号输出端直接和缓冲及高速光电隔离电路互连，采用的集成电平转换芯片为74LVC16T245，可实现16通道数字SVPWM信号的输入输出双向电平转换，缓冲电路为高速CMOS增强驱动型六施密特触发器54AC14；SVPWM缓冲及隔离电路经过限流电阻R和光电隔离电路微小型高速光藕GH5231s后能直接驱动栅极驱动电或IPM模块电路，同时能避免信号传输延迟参数对IGBT或IPM模块电路死区时间的影响，传输速率不小于5Mb/s，传输时间参数Tplh和Tplh均不大于160ns。
在一个实施例中，快速比较隔离模块通过磁平衡式闭环霍尔电流传感器LA-200检测系统矢量控制用两相电流，并能实现电隔离检测，量程达±300A，快速比较电路将输出的信号经T型低通滤波器处理后不仅输送给数字信号处理器，还输入至电压跟随器比较器反相端，电压跟随器所需运放采用FX147低噪声JFET四输入运算放大器，比较判断是否超出了设定的额定电流范围，进而通过高速光电隔离电路后输出限流保护信号，信号截止频率设计为100KHz，线性度偏差小于0.15％，具有功耗小、测量精度高、响应快速、温度漂移低等优点。
在一个实施例中，智能保护综合逻辑模块的输入端为软件相电流限流保护后控制数字信号处理器输出的限流保护信号2A、2B和相电流检测及快速比较电路输出的限流保护信号1A和1B，经芯片74LS32综合逻辑或后并经D触发器SN74LS74AD输出PWM-OE控制信号，控制信号控制SVPWM多通道电平转换电路电平转换芯片的输入使能端，以达到快速、抗干扰、双重过流智能保护的目的。
作为具体的实施例，本发明的工作过程为：(1)如图1所示，经空间控制矢量后信号处理器输出的六通道PWM1～PWM6经集成电平转换芯片D1电平转换后输出给缓冲电路D2，并经上拉电阻R1～R6和限流电阻R7～R12后分别输出至光电隔离电路D3～D5；(2)如图2所示，闭环霍尔电流传感器S1检测的A相电流信号经高精密采样电阻RS1和R1、R2、C3组成的T型低通滤波电路处理后输入至电压跟随器的反相端，比较器的输出信号I_A输入至高速光电隔离电路D6，经隔离输出A相限流保护信号1A,B相电流检测及快速比较隔离电路形式和工作过程完全相同，经隔离输出B相限流保护信号1B；(3)如图3所示，比较器输出的1A、1B限流信号和软件限流控制信号2A、2B输入至U16芯片对其进行逻辑或运算，运算结果输入触发器U17的时钟端，当任意输入到D触较器的信号由低电平变换到高电平时，D触发器将输出高电平，控制图(1)中的电平转换芯片D1停止输出SVPWM波，进而使驱动电路停止工作，达到保护IGBT或IPM模块电路的目的。
本发明的SVPWM多通道处理模块采用SVPWM多通道电平转换、缓冲及光电隔离电路能实现多通道SVPWM并行、高速转换，驱动能力强，能显著提高高压大功率电动舵系统的抗干扰能力和控制响应速度。
本发明的快速比较隔离模块采用磁平衡式闭环霍尔电流传感器检测舵系统矢量控制用两相电流，并能实现彻底电隔离检测，相电流检测量程大、体积小。
本发明的快速比较隔离模块将两相电流信号经T型低通滤波器处理后不仅输送给数字信号处理器，还输入至电压跟随器比较器反相端比较并经光电隔离后输出，具有抗干扰能力强、功耗小、测量精度高、高带宽、温度漂移低等优点；
本发明的智能保护综合逻辑模块采用双重过流智能保护综合逻辑电路，将检测的两相电流软件限流保护后输出对应逻辑控制信号和硬件相电流检测及快速比较电路输出的限流保护信号经芯片综合逻辑并经触发器后再控制电平转换芯片的输入输出使能端，能实现高压、大功率电动舵系统快速、抗干扰、可靠保护的目的。
本发明的SVPWM多通道处理模块采用多通道集成电平转换电路、驱动能力强的缓冲电路和微小型高速光电隔离电路，增强了舵系统的动态响应速度和抗干扰能力；
本发明的快速比较隔离模块采用高精度、宽量程、高速的磁平衡式闭环霍尔电流传感器检测电路提高了系统控制精度和抗干扰能力。
本发明的智能保护综合逻辑模块采用隔离、驱动、保护一体的软硬相结合的双重过流智能保护电路，解决了单一保护方式存在的逻辑缺陷和系统控制动态响应不足；
本发明的智能保护综合逻辑模块采用将两相电流快速比较限流输出信号和软件限流控制信号经逻辑综合运算并经触发器保持后控制SVPWM输出形式能避免系统误保护；
本发明实现了以下有益的技术效果：
结构简单，包括：SVPWM多通道处理模块，快速比较隔离模块与智能保护综合逻辑模块，采用多通道集成电平转换电路、驱动能力强的缓冲电路和微小型高速光电隔离电路，增强了舵系统的动态响应速度和抗干扰能力，解决了单一保护方式存在的逻辑缺陷和系统控制动态响应不足；将两相电流快速比较限流输出信号和软件限流控制信号经逻辑综合运算并经触发器保持后控制SVPWM输出形式能避免系统误保护，电路集程度和智能化高，易于实现，成本低，适应能力强。
本发明虽然已选取较好实施例公开如上，但并不用于限定本发明。显然，这里无需也无法对所有实施方式予以穷举。任何本领域研究人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可采用上述公开实施例中的设计方式和内容对本发明的研究方案进行变动和修改，因此，凡是未脱离本发明方案的内容，依据本发明的研究实质对上述实施例所作的任何简单修改，参数变化及修饰，均属于本发明方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种适应高压大功率电动舵系统的智能保护电路，其特征在于，包括：
SVPWM多通道处理模块，用于控制矢量后信号处理器输出的六通道PWM1～PWM6经集成电平转换芯片D1电平转换后输出给缓冲电路D2A，并经上拉电阻R1～R6和限流电阻R7～R12后分别输出至光电隔离电路D3～D5，并进行输出；
快速比较隔离模块，用于对输出的信号经闭环霍尔电流传感器S1检测，并通过由高精密采样电阻RS1和R1、R2、C3组成的T型低通滤波电路处理后输入至电压跟随器的反相端，比较器的输出信号I_A输入至高速光电隔离电路D6，经隔离输出A相限流保护信号1A，比较器的输出信号I_B输入至高速光电隔离电路D6，经隔离输出B相限流保护信号1B；
智能保护综合逻辑模块，用于对比较器输出的1A、1B限流信号和软件限流控制信号2A、2B输入至U16芯片对其进行逻辑或运算，运算结果输入触发器U17A的时钟端，当任意输入到D触较器的信号由低电平变换到高电平时，D触发器输出高电平，控制集成电平转换芯片D1停止输出SVPWM波，进而使驱动电路停止工作。
2.根据权利要求1所述的适应高压大功率电动舵系统的智能保护电路，其特征在于，所述SVPWM多通道处理模块包括：集成电平转换芯片D1，高速CMOS增强驱动型六施密特触发器D2A，光电隔离电路微小型高速光耦D3、D4和D5，其中，D1的2脚连接D2A的1脚，D1的3脚连接D2A的3脚，D1的5脚连接D2A的5脚，D1的6脚连接D2A的9脚，D1的8脚连接D2A的13脚，D1的9脚连接D2A的1脚，D1的46脚连接D3的7脚，D1的47脚连接D3的6脚，D1的43脚连接D4的7脚，D1的44脚连接D4的6脚，D1的40脚连接D5的7脚，D1的41脚连接D5的6脚，所述D3的4脚连接电阻R7，1脚连接电阻R8，D4的4脚连接电阻R9，1脚连接电阻R10，D5的4脚连接电阻R11，1脚连接电阻R12。
3.根据权利要求2所述的适应高压大功率电动舵系统的智能保护电路，其特征在于，所述D1的型号采用74LVC16T245。
4.根据权利要求3所述的适应高压大功率电动舵系统的智能保护电路，其特征在于，所述D2A的型号采用54AC14。
5.根据权利要求2所述的适应高压大功率电动舵系统的智能保护电路，其特征在于，所述D3、D4和D5的型号采用GH5231S。
6.根据权利要求5所述的适应高压大功率电动舵系统的智能保护电路，其特征在于，所述快速比较隔离模块包括：磁平衡式闭环霍尔电流传感器S1，其2脚连接电阻RS1和R1的一端，所述R1的另一端连接电阻R2的一端，R2的另一端连接电压跟随器N3A，所述电压跟随器N3A的输出端再连接比较器N4A的反相输入端，N4A的输出端通过电阻R8连接光电隔离电路微小型高速光耦D6，D6再连接高速CMOS增强驱动型二施密特触发器D7。
7.根据权利要求6所述的适应高压大功率电动舵系统的智能保护电路，其特征在于，所述电压跟随器采用的型号是FX147。
8.根据权利要求1所述的适应高压大功率电动舵系统的智能保护电路，其特征在于，所述智能保护综合逻辑模块包括：型号为SN74LS32的芯片U16，其8脚连接D触发器U17A的3脚，U17A的1脚连接电阻R1512和电容C1504，U17A的5脚连接电阻R1511。
9.根据权利要求8所述的适应高压大功率电动舵系统的智能保护电路，其特征在于，所述U17A采用的型号为SN74LS74AD。
10.根据权利要求7所述的适应高压大功率电动舵系统的智能保护电路，其特征在于，所述S1采用的型号是LA-200。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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