CN110542787A - 一种三电平电机驱动器直流母线的电压采集装置 - Google Patents

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刘超
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Abstract

本发明实施例提供一种三电平电机驱动器直流母线的电压采集装置，包括电阻分压电路、隔离放大器组和微控制单元MCU；电阻分压电路包括依次串联的第一、第二、第三和第四分压电阻；第一和第四分压电阻分别引出第一导线和第二导线；第二和第三分压电阻之间的连接导线引出第三导线；隔离放大器组包括第一和第二隔离放大器，第一和第二隔离放大器分别适配一个隔离电源；第一隔离放大器与第二分压电阻并联，其输出端与微控制单元MCU的输入端相连；第二隔离放大器与第三分压电阻并联，其输出端与微控制单元MCU的输入端相连。通过本方案可以实现对三电平电机驱动器直流母线电压采集的强弱电隔离。

Description

一种三电平电机驱动器直流母线的电压采集装置
技术领域
本发明涉及电力电子整流逆变技术领域，特别是涉及一种三电平电机驱动器直流母线的电压采集装置。
背景技术
现有的电机控制系统通常包括电机控制设备、三电平电机驱动器和电机，三电平电机驱动器的核心电路称为逆变电路。为了实现三电平电机驱动器的控制，需要对逆变电路的直流母线电压进行采集。
目前，对于三电平电机驱动器直流母线的电压采集，一般采用电阻串联分压的方式。采用这种电压采集方式的装置一般包括电阻分压电路和MCU(Micro Control Unit，微控制单元)，由于该装置电路结构简单，可操作性强，非常便于推广应用。
但是，现有技术中采用电阻串联分压对直流母线进行电压采集的装置，存在不能进行强弱电隔离的缺陷，可能导致现有电压采集装置中的MCU等弱电采集器件损坏。
发明内容
本发明实施例提供一种三电平电机驱动器直流母线的电压采集装置，以实现直流母线电压采集过程中强弱电隔离的目的。具体技术方案如下：
本发明实施例提供一种三电平电机驱动器直流母线的电压采集装置，包括电阻分压电路、隔离放大器组和微控制单元MCU；
所述电阻分压电路包括依次串联的第一分压电阻、第二分压电阻、第三分压电阻和第四分压电阻；所述第二分压电阻的电阻值小于第一分压电阻的电阻值，所述第三分压电阻的电阻值小于第四分压电阻的电阻值；
所述第一分压电阻的一端连接第二分压电阻，另一端引出第一导线，所述第一导线用于连接所述直流母线的直流正极；
所述第四分压电阻的一端连接第三分压电阻，另一端引出第二导线，所述第二导线用于连接所述直流母线的直流负极；
所述第二分压电阻和第三分压电阻之间的连接导线引出第三导线，所述第三导线用于连接所述直流母线上串联的第一支撑电容和第二支撑电容之间的连接导线；
所述隔离放大器组包括第一隔离放大器和第二隔离放大器，所述第一隔离放大器与第二隔离放大器分别适配一个隔离电源；
所述第一隔离放大器与所述第二分压电阻并联，所述第一隔离放大器的输出端与所述微控制单元MCU的输入端相连；
所述第二隔离放大器与所述第三分压电阻并联，所述第二隔离放大器的输出端与所述微控制单元MCU的输入端相连。
可选地，所述装置还包括运算放大器组，所述运算放大器组包括第一运算放大器和第二运算放大器；
所述第一运算放大器的输入端与所述第一隔离放大器的输出端相连，其输出端与所述微控制单元MCU的输入端相连；
所述第二运算放大器的输入端与所述第二隔离放大器的输出端相连，其输出端与所述微控制单元MCU的输入端相连。
可选地，所述第二分压电阻与第三分压电阻的电阻值相等，所述第一分压电阻与第四分压电阻的电阻值相等。
可选地，所述第一隔离放大器和所述第二隔离放大器的采样比例均为1:1。
可选地，所述第一分压电阻、第二分压电阻、第三分压电阻和第四分压电阻均采用贴片电阻。
本发明实施例采集装置中的电阻分压电路将高压转换为低压，隔离放大器将电阻分得的低压隔离放大后输入至微控制单元MCU(Micro Control Unit)，通过微控制单元MCU计算即可得到电机驱动器直流母线相应的电压值。本发明实施例通过电阻分压电路获得分得的低压，隔离放大器、隔离电源和微控制单元MCU对分得的低压进行处理，由于隔离放大器使得输入与输出之间以光或者磁的形式传导信号来断绝电的联系，使得强电的变化不影响弱电信号，因此实现了强弱电隔离。不仅能够应用于低压采集的场合，还可以用于对多种高压采集的场合，具有较广的应用范围。另外，本发明实施例通过电阻分压电路获得分得的低压，电路设计简单，可操作性强，成本低；通过隔离放大器、隔离电源和微控制单元MCU对分得的低压进行处理，采样精度高，提高了电压采集的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的一种三电平电机驱动器直流母线的电压采集装置与直流母线的连接示意图；
图2为本发明实施例所提供的另一种三电平电机驱动器直流母线的电压采集装置与直流母线的连接示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了实现在直流母线电压采集过程中进行强弱电隔离的目的，本发明实施例提供一种三电平电机驱动器直流母线的电压采集装置。
如图1所示，虚线框内为本发明实施例所提供的一种三电平电机驱动器直流母线的电压采集装置，用于对图1中虚线框外的电机驱动器直流母线的电压进行采集。虚线框外的粗线即为电机驱动器直流母线，直流母线上第一支撑电容和第二支撑电容分别记为C1和C2，其两端的电压分别为U1和U2。图中VCC(Volt Current Condenser)表示隔离电源供电电压；NGND表示数字地。
本实施例电压采集装置包括电阻分压电路、隔离放大器和微控制单元MCU。
电阻分压电路包括依次串联的第一分压电阻、第二分压电阻、第三分压电阻和第四分压电阻；参见图1，第一分压电阻、第二分压电阻、第三分压电阻和第四分压电阻依次分别记为K1、K2、K3、K4。第二分压电阻K2的电阻值小于第一分压电阻K1的电阻值，第三分压电阻K3的电阻值小于第四分压电阻K4的电阻值；第一分压电阻K1的一端连接第二分压电阻K2，另一端引出第一导线，第一导线用于连接电机驱动器直流母线的直流正极；第四分压电阻K4的一端连接第三分压电阻K3，另一端引出第二导线，第二导线用于连接电机驱动器直流母线的直流负极。第二分压电阻K2和第三分压电阻K3之间的连接导线引出第三导线，第三导线用于连接直流母线第一支撑电容C1和第二支撑电容C2之间的连接导线。
隔离放大器组包括第一隔离放大器和第二隔离放大器，第一隔离放大器与第二隔离放大器分别适配一个用于供电的隔离电源。第一隔离放大器与第二分压电阻K2并联，其输出端与微控制单元MCU的输入端相连；第二隔离放大器与第三分压电阻K3并联，其输出端与微控制单元MCU的输入端相连。
需要说明的是，各个分压电阻的阻值可以根据加在直流母线两端的直流电压以及隔离放大器允许采样电压的输入范围进行选择。例如，由于隔离放大器所采样的最大电压一般应小于3.3V，如果直流母线两端的电压为1600V，同时考虑电路对称，即第二分压电阻K2可以与第三分压电阻K3的电阻值相等，第一分压电阻K1可以与第四分压电阻K4的电阻值相等，则K1、K2、K3和K4的电阻值可依次选择10MΩ、3kΩ、3kΩ和10MΩ。
另外，“第一隔离放大器”中的“第一”和“第二隔离放大器”中的“第二”仅仅用于从命名上区分不同的隔离放大器，并不具有任何限定意义。
可选地，由于贴片电阻体积小、重量轻，可靠性高，分压电阻可以选用超过10M的贴片电阻，这样电阻功耗小，电机驱动器工作更加稳定。
可选地，隔离电源可以采用ADuM6000磁隔离芯片，当然并不局限于此。
可选地，隔离放大器可以采用型号为adum4190的隔离放大器，可以采用规格型号为opa2209的运算放大器，当然隔离放大器和运算放大器型号的选择并不局限于此。
下面结合图1，介绍如何利用本实施例装置进行直流母线电压的采集。
如图1所示，以电机驱动器直流母线第一支撑电容C1和第二支撑电容C2之间连接导线的中点n为参考点。U1经电阻分压电路的第二分压电阻K2分压为低压Up，U2经电阻分压电路的第二分压电阻K3分压为低压Ud；即第二分压电阻K2两端的电压为Up，第三分压电阻K3两端的电压为Ud。
由于对低压Up和Ud电压采集的过程类似，下面仅以对低压Up的采集为例进行说明：
由第二分压电阻K2分压得到的低压Up经第一隔离放大器进行采样，第一隔离放大器输出差分信号Upo。
按照与上述类似的步骤，对低压Ud采集得到Udo。
微控制单元MCU通过其AD采集端口采集Upo和Udo。电阻分压电路的分压比例和隔离放大器的放大比例可根据实际需要选择相应的元器件确定，例如，隔离放大器的采样比例可选为1:1；微控制单元MCU根据采集得到的Upo和Udo以及隔离放大器的比例关系，即可计算得到电机驱动器直流母线相应的电压值。例如，假设母线电压为X1，电阻分压比例为1/500,隔离放大器的比例为1:2,如果微控制单元MCU接到到运算放大器输出的电压Upo＝0.25V，则通过公式X1*(1/500)*(1/2)＝0.25V，就可以逆推计算得到母线电压X1为250V。
本发明实施例采集装置中的电阻分压电路将高压转换为低压，隔离放大器将电阻分得的低压隔离放大后输入至微控制单元MCU(Micro Control Unit)，通过微控制单元MCU计算即可得到电机驱动器直流母线相应的电压值。本发明实施例通过电阻分压电路获得分得的低压，隔离放大器、隔离电源和微控制单元MCU对分得的低压进行处理，由于隔离放大器使得输入与输出之间以光或者磁的形式传导信号来断绝电的联系，使得强电的变化不影响弱电信号，因此实现了强弱电隔离。不仅能够应用于低压采集的场合，还可以用于对多种高压采集的场合，具有较广的应用范围。另外，本发明实施例通过电阻分压电路获得分得的低压，电路设计简单，可去除共模电压的干扰，可操作性强，成本低；通过隔离放大器、隔离电源和微控制单元MCU对分得的低压进行处理，采样精度高，提高了电压采集的性能。
另外，需要说明的是，现有技术中也采用其他方式对电机驱动器直流母线的电压进行采集；例如使用线性光耦或者电压互感器来进行电压检测。
但是，由于直流母线电压的采集精度对逆变器的控制影响很大，采用线性光耦对直流母线进行电压采集的方式，存在精度不高、难以满足测量精度要求的问题。本发明实施例采用隔离放大器和隔离电源实现强弱电隔离，并通过微控制单元MCU计算相应的电压值，电压采集的精度高，完全能够满足对直流母线电压采集精度的要求。
至于采用电压互感器对直流母线进行电压采集的方式，则存在功耗大、成本高的不足。具体而言，电压互感器的售价较高，且由于电压互感器是将小电流(mA级)转化为电压，转化的过程需要串联电阻，仅对1000v直流母线电压举例来说，电压互感器便需产生10mA的电流，与之相应的电阻功耗高达10W，电阻的体积和重量一般都无法接受，难以选择合适的电阻。而本发明实施例采用的电阻分压电路结构简单，可操作性强，通过电阻分压电路获得低压，具有成本低，体积及功耗小的优点。
为了进一步提高对三电平电机驱动器直流母线电压的采集精度，如图2所示，本发明实施例提供另一种三电平电机驱动器直流母线的电压采集装置，并对如何利用该装置进行母线电压的采集进行介绍。
如图2所示，虚线框内为本发明实施例所提供的三电平电机驱动器直流母线的电压采集装置，用于对图1中虚线框外的电机驱动器直流母线的电压进行采集。虚线框外的粗线即为电机驱动器直流母线，直流母线上第一支撑电容和第二支撑电容分别记为C1和C2，其两端的电压分别为U1和U2。
本实施例电压采集装置包括包括电阻分压电路、隔离放大器组、运算放大器组和微控制单元MCU。
电阻分压电路包括依次串联的第一分压电阻、第二分压电阻、第三分压电阻和第四分压电阻；参见图2，第一分压电阻、第二分压电阻、第三分压电阻和第四分压电阻依次分别记为K1、K2、K3、K4。第二分压电阻K2的电阻值小于第一分压电阻K1的电阻值，第三分压电阻K3的电阻值小于第四分压电阻K4的电阻值。第一分压电阻K1的一端连接第二分压电阻K2，另一端引出第一导线，用于连接电机驱动器直流母线的直流正极；第四分压电阻K4的一端连接第三分压电阻K3，另一端引出第二导线，用于连接电机驱动器直流母线的直流负极；第二分压电阻K2和第三分压电阻K3之间的连接导线引出第三导线，用于连接直流母线第一支撑电容C1和第二支撑电容C1之间的连接导线。
隔离放大器组包括第一隔离放大器和第二隔离放大器，第一隔离放大器与第二隔离放大器分别适配一个用于供电的隔离电源。第一隔离放大器与第二分压电阻K2并联，第二隔离放大器与第三分压电阻K3并联。
运算放大器组包括第一运算放大器和第二运算放大器；第一运算放大器的输入端与第一隔离放大器的输出端相连，其输出端与微控制单元MCU的输入端相连；第二运算放大器的输入端与第二隔离放大器的输出端相连，其输出端与微控制单元MCU的输入端相连。
需要说明的是，分压电阻的阻值需根据加在直流母线两端的直流电压以及隔离放大器允许采样电压的输入范围进行选择。例如，由于隔离放大器所采样的最大电压一般应小于3.3V，如果直流母线两端的电压为1600V，同时考虑电路对称，第二分压电阻K2可以与第三分压电阻K3的电阻值相等，第一分压电阻K1可以与第四分压电阻K4的电阻值相等，则K1、K2、K3和K4的电阻值可依次选择10MΩ、3kΩ、3kΩ和10MΩ。
另外，“第一隔离放大器”中的“第一”和“第二隔离放大器”中的“第二”仅仅用于从命名上区分不同的隔离放大器，并不具有任何限定意义；类似的，“第一运算放大器”中的“第一”以及“第一运算放大器”中的“第二”仅仅用于从命名上区分不同的运算放大器，并不具有任何限定意义。
可选地，由于贴片电阻体积小、重量轻，可靠性高，分压电阻可以选用超过10M的贴片电阻，这样电阻功耗小，电机驱动器工作更加稳定。
可选地，隔离电源可以采用ADuM6000磁隔离芯片。
下面结合图2，介绍如何利用本实施例装置进行直流母线电压的采集。
如图2所示，以电机驱动器直流母线第一支撑电容C1和第二支撑电容C2之间连接导线的中点n为参考点。U1经电阻分压电路的第二分压电阻K2分压为低压Up，U2经电阻分压电路的第二分压电阻K3分压为低压Ud；即第二分压电阻K2两端的电压为Up，第三分压电阻K3两端的电压为Ud。
由于对低压Up和Ud电压采集的过程类似，下面仅以对低压Up的采集为例进行说明：
由第二分压电阻K2分压得到的低压Up经第一隔离放大器进行采样，第一隔离放大器输出差分信号。第一隔离放大器输出的差分信号经第一运算放大器放大并输出电压Upo。
按照与上述类似的步骤，对低压Ud采集得到Udo，在此不再赘述。
微控制单元MCU通过其AD采集端口采集到的Upo和Udo。
电阻分压电路的分压比例、隔离放大器的放大比例以及运算放大器的放大比例可根据实际需要选择相应的元器件确定。例如，隔离放大器的采样比例可选为1:1。微控制单元MCU根据采集得到的Upo和Udo以及隔离放大器、运算放大器的比例关系，即可计算得到电机驱动器直流母线相应的电压值。例如，假设母线电压为X2，电阻分压比例为1/500,隔离放大器的比例为1:2,运算放大器的比例为1:4，如果微控制单元MCU接到运算放大器输出的电压Upo＝0.25V，则通过公式X2*(1/500)*(1/2)*1/4＝0.25V，就可以逆推计算得到母线电压X2为1000V。
需要说明的是，运算放大器的放大比例可以根据实际情况自己设定，当然运算放大器输出的电压应在其输出范围内，且输出的电压小于微控制单元MCU的AD参考电压；同时，隔离放大器的隔离电压应满足电压隔离的要求。
本发明实施例中隔离放大器采集电子分压电路分得的低压模拟信号，通过隔离放大后将转换的数字信号依次传送至运算放大器和微控制单元MCU；通过电阻分压电路获得分得的低压，电路设计简单，可去除共模电压的干扰，可操作性强，成本低；通过隔离放大器、隔离电源、运算放大器和微控制单元MCU对分得的低压进行处理，由于隔离放大器使得输入与输出之间以光或者磁的形式传导信号来断绝电的联系，使得强电的变化不影响弱电信号，因此实现了强弱电隔离。因此不仅能够应用于低压采集的场合，还可以用于对多种高压采集的场合，具有较广的应用范围。
另外，由于本发明实施例采用了运算放大器，不仅可以为微控制单元MCU输入阻抗，抑制共模电压，而且还可以放大信号，有效提高了电压采样精度，进一步提高了电压采集的性能。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非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作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种三电平电机驱动器直流母线的电压采集装置，其特征在于，包括电阻分压电路、隔离放大器组和微控制单元MCU；
所述电阻分压电路包括依次串联的第一分压电阻、第二分压电阻、第三分压电阻和第四分压电阻；所述第二分压电阻的电阻值小于第一分压电阻的电阻值，所述第三分压电阻的电阻值小于第四分压电阻的电阻值；
所述第一分压电阻的一端连接第二分压电阻，另一端引出第一导线，所述第一导线用于连接所述直流母线的直流正极；
所述第四分压电阻的一端连接第三分压电阻，另一端引出第二导线，所述第二导线用于连接所述直流母线的直流负极；
所述第二分压电阻和第三分压电阻之间的连接导线引出第三导线，所述第三导线用于连接所述直流母线上串联的第一支撑电容和第二支撑电容之间的连接导线；
所述隔离放大器组包括第一隔离放大器和第二隔离放大器，所述第一隔离放大器与第二隔离放大器分别适配一个隔离电源；
所述第一隔离放大器与所述第二分压电阻并联，所述第一隔离放大器的输出端与所述微控制单元MCU的输入端相连；
所述第二隔离放大器与所述第三分压电阻并联，所述第二隔离放大器的输出端与所述微控制单元MCU的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括运算放大器组，所述运算放大器组包括第一运算放大器和第二运算放大器；
所述第一运算放大器的输入端与所述第一隔离放大器的输出端相连，其输出端与所述微控制单元MCU的输入端相连；
所述第二运算放大器的输入端与所述第二隔离放大器的输出端相连，其输出端与所述微控制单元MCU的输入端相连。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述第二分压电阻与第三分压电阻的电阻值相等，所述第一分压电阻与第四分压电阻的电阻值相等。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述第一隔离放大器和所述第二隔离放大器的采样比例均为1:1。
5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述第一分压电阻、第二分压电阻、第三分压电阻和第四分压电阻均采用贴片电阻。
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