CN114034921B - 基于单电阻采样的母线电流采样电路及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于单电阻采样的母线电流采样电路，包括：单电阻采样模块、永磁同步电机的三相定子绕组、逆变电路、控制器；所述单电阻采样模块与所述逆变电路连接，通过单电阻分别对相电流和母线电流进行采样；所述逆变电路与所述永磁同步电机的三相定子绕组相连，用于向所述永磁同步电机的三相定子绕组施加电压信号并驱动永磁同步电机转动。本发明中的单电阻采样，使用差分走线的方法，在进入运算放大器之前，两根电路线并行，使两根线受到的干扰同等，并且能使干扰在进入运算放大器之后相互抵消。
Description
技术领域
本发明涉及永磁同步电机技术领域，具体涉及一种基于单电阻采样的母线电流采样电路及方法。
背景技术
永磁同步电机具有效率高，响应快，噪音小等优点。因此，永磁同步电机已经在越来越多的行业广泛应用。
传统的永磁同步电机无传感器控制中，基于单电阻解析母线电流技术，由于低成本、精度较高的优势，在很多领域得到了广泛的运用，例如，风机，泵等设备。但在其运作过程中，单电阻在同一回路中同时承担了采样相电流和母线电流的作用，由于其值域并不相同，导致获取的采样精度并不相同，在采样相电流的同时采样母线电流，相电流会影响母线电流的采样精度。
发明内容
本发明提供了一种基于单电阻采样的母线电流采样电路及方法，以解决现有技术中单电阻同时承担相电流采样和母线电流采样，导致相电流影响母线电流精度的问题。
本发明提供了一种基于单电阻采样的母线电流采样电路，包括：单电阻采样模块、永磁同步电机的三相定子绕组、逆变电路、控制器；
所述单电阻采样模块与所述逆变电路连接，通过单电阻分别对相电流和母线电流进行采样；
所述逆变电路与所述永磁同步电机的三相定子绕组相连，用于向所述永磁同步电机的三相定子绕组施加电压信号并驱动永磁同步电机转动。
进一步地，所述单电阻采样模块包括：采样电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第一电容、第二电容、第一运行放大器、第二运算放大器；
所述第一运输放大器的正极分别与第十二电阻的一端、第九电阻的一端连接，负极分别与第十三电阻的一端、第十一电阻的一端连接；
所述第一运输放大器的正极与所述第二运算放大器的正极之间依次串接第九电阻、第八电阻、第二电阻、第三电阻；所述第一运输放大器的负极与所述第二运算放大器的负极之间依次串接第十一电阻、第十电阻、第四电阻、第五电阻；所述第十二电阻并接在所述第一运算放大器的正极与第一运输放大器的输出端之间；所述第十三电阻并接在所述第一运算放大器的负极与地之间；所述第二电容并接在所述第九电阻、第八电阻与所述第十一电阻、第十电阻之间；所述采样电阻并接在所述第八电阻、第二电阻与第十电阻、第四电阻之间；所述第一电容并接在所述第二电阻、第三电阻与第四电阻、第五电阻之间；所述第六电阻并接在所述第二运算放大器的正极与第二运算放大器的输出端之间；所述第七电阻并接在所述第二运算放大器的负极与地之间；所述第一运算放大器的输出端、第二运算放大器的输出端均与所述控制器连接。
进一步地，所述逆变电路包括：第一功率开关器、第二功率开关器、第三功率开关器、第四功率开关器、第五功率开关器、第六功率开关器；第一功率开关器的栅极、第二功率开关器的栅极、第三功率开关器的栅极、第四功率开关器的栅极、第五功率开关器的栅极、第六功率开关器的栅极均与所述控制器连接；输入电源的正极分别与所述第一功率开关器的漏极、第三功率开关器的漏极、第五功率开关器的漏极连接；所述第二功率开关器的源极、第四功率开关器的源极、第六功率开关器的源极与所述单电阻采样模块中的采样电阻一端连接；所述第一功率开关器件的源极分别与所述第四功率开关器件的漏极、永磁同步电机的三相定子绕组的A相连接；所述第三功率开关器件的源极分别与所述第六功率开关器件的漏极、永磁同步电机的三相定子绕组的B相连接；所述第五功率开关器件的源极分别与所述第二功率开关器件的漏极、永磁同步电机的三相定子绕组的C相连接。
进一步地，所述第一运算放大器的输出值为相电流采样值，所述第二运算放大器的输出值为母线电流采样值，所述第二电容的容值大于所述第一电容的容值。
本发明还提供了一种基于单电阻采样的母线电流采样电路的采样方法，包括如下步骤：
步骤1：在永磁同步电机控制周期中，获取逆变电路中用于控制六个功率开关器件导通状态获取三个比较值；
步骤2：将三个比较值分为：最大比较值、中间比较值、最小比较值；
步骤3：根据最大比较值、中间比较值、最小比较值、死区时间、振铃时间、ADC触发时间、ADC转换时间确定的第一个相电流采样时间点和第二个相电流采样时间点；
步骤4：根据第一个相电流采样时间点、采样电阻的阻值、第二电容的容值，确定第一个母线电流采样时间点，根据第一个相电流采样时间点、第一个母线电流采样时间点对相电流、母线电流进行采样；根据第二个相电流采样时间点、采样电阻的阻值、第二电容的容值，确定第二个母线电流采样时间点，根据第二个相电流采样时间点、第二个母线电流采样时间点对相电流、母线电流进行采样。
进一步地，所述步骤3的具体方法为：
当Tmid-Tmin＞Td+Tr+TADCs时，所述第一个相电流采样时间点为：
当Tmid-Tmin≤Td+Tr+TADCs时，所述第一个相电流采样时间点为：Tmid-TADCtrig-TADCs；
当Tmax-Tmid＞Td+Tr+TADCs时，所述第二个相电流采样时间点为：
当Tmax-Tmid≤Td+Tr+TADCs时，所述第二个相电流采样时间点为：Tmax-TADCtrig-TADCs；
其中，Td为死区时间，Tr为振铃时间，TADCtrig为ADC触发时间，TADCs为ADC转换时间，Tmax为最大比较值、Tmid为中间比较值、Tmin为最小比较值。
进一步地，所述步骤4的具体步骤为：
步骤41：根据采样电阻的阻值、第二电容容值确定RC滤波的时间常数；
步骤42：当所述第一个相电流采样时间点与所述时间常数的和小于所述中间比较值时，不对母线电流采样；当所述第一个相电流采样时间点与所述时间常数的和大于所述中间比较值时，将所述第一个相电流采样时间点和所述时间常数的和作为第一个母线电流采样时间点，对母线电流采样；
当所述第二个相电流采样时间点与所述时间常数的和小于所述中间比较值时，不对母线电流采样；当所述第二个相电流采样时间点与所述时间常数的和大于所述中间比较值时，将所述第二个相电流采样时间点与所述时间常数的和作为第二个母线电流采样时间点，对母线电流采样。
进一步地，所述时间常数的计算公式为：
τ＝r1c2
其中，r1为采样电阻的阻值；c2为第二电容的容值。
本发明的有益效果：
1、本发明中的单电阻采样，使用差分走线的方法，在进入运算放大器之前，两根电路线并行，使两根线受到的干扰同等，并且能使干扰在进入运算放大器之后相互抵消。
2、本发明中单电阻采样能够分成两路信号，先对相电流进行采样，延时一段时间后，再对母线电流进行采样，这样有效地避免了同时采样时，相电流的精度对母线电流的精度产生影响。
3、本发明巧妙地让采样时序的延迟归结到电路上解析出来，由于载波频率固定，采样时序的延迟就可以看作RC滤波的延时，这样就能精确计算出采样时序的延迟。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1为本发明具体实施例的电路图。
图2为本发明具体实施例的采样方法示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，本领域技术人员在没有作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。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于单电阻采样的母线电流采样电路，包括：单电阻采样模块、永磁同步电机的三相定子绕组、逆变电路、控制器；
单电阻采样模块与逆变电路连接，通过单电阻分别对相电流和母线电流进行采样；
逆变电路与永磁同步电机的三相定子绕组相连，用于向永磁同步电机的三相定子绕组施加电压信号并驱动永磁同步电机转动。
单电阻采样模块包括：采样电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第一电容C1、第二电容C2、第一运行放大器A1、第二运算放大器A2；
第一运输放大器A1的正极分别与第十二电阻R12的一端、第九电阻R9的一端连接，负极分别与第十三电阻R13的一端、第十一电阻R11的一端连接；
第一运输放大器A1的正极与第二运算放大器A2的正极之间依次串接第九电阻R9、第八电阻R8、第二电阻R2、第三电阻R3；第一运输放大器A1的负极与第二运算放大器A2的负极之间依次串接第十一电阻R11、第十电阻R10、第四电阻R4、第五电阻R5；第十二电阻R12并接在第一运算放大器A1的正极与第一运输放大器A1的输出端之间；第十三电阻R13并接在第一运算放大器A1的负极与地之间；第二电容并C2接在第九电阻R9、第八电阻R8与第十一R11电阻、第十电阻R10之间；采样电阻R1并接在第八R8电阻、第二电阻R2与第十电阻R10、第四电阻R4之间；第一电容C1并接在第二电阻、第三电阻R3与第四电阻R4、第五电阻R5之间；第六电阻R6并接在第二运算放大器A2的正极与第二运算放大器A2的输出端之间；第七电阻R7并接在第二运算放大器A2的负极与地之间；第一运算放大器A1的输出端、第二运算放大器A2的输出端均与控制器连接。
逆变电路包括：第一功率开关器Q1、第二功率开关器Q2、第三功率开关器Q3、第四功率开关器Q4、第五功率开关器Q5、第六功率开关器Q6；第一功率开关器Q1的栅极、第二功率开关器Q2的栅极、第三功率开关器Q3的栅极、第四功率开关器Q4的栅极、第五功率开关器Q5的栅极、第六功率开关器Q6的栅极均与控制器连接；输入电源的正极分别与第一功率开关器Q1的漏极、第三功率开关器Q3的漏极、第五功率开关器Q5的漏极连接；第二功率开关器Q2的源极、第四功率开关器Q4的源极、第六功率开关器Q6的源极与单电阻采样模块中的采样电阻R1的一端连接；第一功率开关器件Q1的源极分别与第四功率开关器件Q4的漏极、永磁同步电机的三相定子绕组的A相连接；第三功率开关器件Q3的源极分别与第六功率开关器件Q6的漏极、永磁同步电机的三相定子绕组的B相连接；第五功率开关器件Q5的源极分别与第二功率开关器件Q2的漏极、永磁同步电机的三相定子绕组的C相连接。
第一运算放大器A1的输出值为相电流采样值，第二运算放大器A2的输出值为母线电流采样值，并且第二电容C1的容值要大于第一电容C2的容值。因为母线电流采样需要更强的滤波，而相电流采样需要迅速、不能遗漏，所以第二电容C1的容值要大于第一电容C2的容值。并且同次采样时，母线电流采样的时刻在相电流采样之后。
本发明具体实施例还提供了一种基于单电阻采样的母线电流采样电路的采样方法，包括如下步骤：
步骤S1：在永磁同步电机控制周期中，获取逆变电路中用于控制六个功率开关器件导通、关断的、相对于定时器计数值的三个比较值，分别用于控制逆变电路三个桥臂的导通关断；当定时器计数值大于等于某一比较值时，对应比较值的桥臂的上桥臂功率开关器件导通、下桥臂关断；当定时器计数值小于某一比较值时，对应比较值的桥臂的上桥臂功率开关器件关断、下桥臂导通；
如图2所示的永磁同步电机在某一时刻控制的情况，永磁同步电机的A相对应最大比较值，当定时器计数值大于等于最大比较值时，A相的桥臂的上桥臂功率开关器件Q1导通、下桥臂Q4关断；当定时器计数值小于最大比较值时，A相的桥臂的上桥臂功率开关器件Q1关断、下桥臂Q4导通；B相，C相的情况同理。
步骤S2：将三个比较值分为：最大比较值、中间比较值、最小比较值；
步骤S3：根据最大比较值、中间比较值、最小比较值、死区时间、振铃时间、ADC触发时间、ADC转换时间确定的第一个相电流采样时间点和第二个相电流采样时间点；具体为：
当Tmid-Tmin＞Td+Tr+TADCs时，第一个相电流采样时间点为：
当Tmid-Tmin≤Td+Tr+TADCs时，第一个相电流采样时间点为：Tmid-TADCtrig-TADCs；
当Tmax-Tmid＞Td+Tr+TADCs时，第二个相电流采样时间点为：
当Tmax-Tmid≤Td+Tr+TADCs时，第二个相电流采样时间点为：Tmax-TADCtrig-TADCs；
其中，Td为死区时间，Tr为振铃时间，TADCtrig为ADC触发时间，TADCs为ADC转换时间，Tmax为最大比较值、Tmid为中间比较值、Tmin为最小比较值。
步骤4：根据第一个相电流采样时间点、采样电阻的阻值、第二电容的容值，确定第一个母线电流采样时间点，根据第一个相电流采样时间点、第一个母线电流采样时间点对相电流、母线电流进行采样；根据第二个相电流采样时间点、采样电阻的阻值、第二电容的容值，确定第二个母线电流采样时间点，根据第二个相电流采样时间点、第二个母线电流采样时间点对相电流、母线电流进行采样；具体步骤为：
步骤41：根据采样电阻的阻值、第二电容容值确定RC滤波的时间常数；
步骤42：当第一个相电流采样时间点与时间常数的和不小于中间比较值时，不对母线电流采样；当第一个相电流采样时间点与时间常数的和小于中间比较值时，将第一个相电流采样时间点和时间常数的和作为第一个母线电流采样时间点，对母线电流采样；
当第二个相电流采样时间点与时间常数的和不小于最大比较值时，不对母线电流采样；当第二个相电流采样时间点与时间常数的和小于最大比较值时，将第二个采样点和时间常数的和作为第二个母线电流采样时间点，对母线电流采样。
如图2所示的实例，当第一个相电流采样时间点与时间常数的和小于中间比较值时，将第一个相电流采样时间点和时间常数的和作为第一个母线电流采样时间点。第一个母线电流采样在第一个相电流采样时间点之后，且两个采样时间点，在最小比较值和中间比较值之间。当第二个相电流采样时间点与时间常数的和小于最大比较值时，同理，其中，时间常数的计算公式为：
τ＝r1c2
其中，r1为采样电阻的阻值；c2为第二电容的容值。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (5)
1.一种基于单电阻采样的母线电流采样电路，其特征在于，包括：单电阻采样模块、永磁同步电机的三相定子绕组、逆变电路、控制器；
所述单电阻采样模块与所述逆变电路连接，通过单电阻分别对相电流和母线电流进行采样；
所述逆变电路与所述永磁同步电机的三相定子绕组相连，用于向所述永磁同步电机的三相定子绕组施加电压信号并驱动永磁同步电机转动，
其中，所述单电阻采样模块包括：采样电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第一电容、第二电容、第一运算放大器、第二运算放大器；
所述第一运算放大器的正极分别与第十二电阻的一端、第九电阻的一端连接，负极分别与第十三电阻的一端、第十一电阻的一端连接；
所述第一运算放大器的正极与所述第二运算放大器的正极之间依次串接第九电阻、第八电阻、第二电阻、第三电阻；所述第一运算放大器的负极与所述第二运算放大器的负极之间依次串接第十一电阻、第十电阻、第四电阻、第五电阻；所述第十二电阻并接在所述第一运算放大器的正极与第一运算放大器的输出端之间；所述第十三电阻并接在所述第一运算放大器的负极与地之间；所述第二电容并接在所述第九电阻、第八电阻与所述第十一电阻、第十电阻之间；所述采样电阻并接在所述第八电阻、第二电阻与第十电阻、第四电阻之间；所述第一电容并接在所述第二电阻、第三电阻与第四电阻、第五电阻之间；所述第六电阻并接在所述第二运算放大器的正极与第二运算放大器的输出端之间；所述第七电阻并接在所述第二运算放大器的负极与地之间；所述第一运算放大器的输出端、第二运算放大器的输出端均与所述控制器连接。
2.如权利要求1所述的基于单电阻采样的母线电流采样电路，其特征在于，所述逆变电路包括：第一功率开关器、第二功率开关器、第三功率开关器、第四功率开关器、第五功率开关器、第六功率开关器；第一功率开关器的栅极、第二功率开关器的栅极、第三功率开关器的栅极、第四功率开关器的栅极、第五功率开关器的栅极、第六功率开关器的栅极均与所述控制器连接；输入电源的正极分别与所述第一功率开关器的漏极、第三功率开关器的漏极、第五功率开关器的漏极连接；所述第二功率开关器的源极、第四功率开关器的源极、第六功率开关器的源极与所述单电阻采样模块中的采样电阻一端连接；所述第一功率开关器的源极分别与所述第四功率开关器的漏极、永磁同步电机的三相定子绕组的A相连接；所述第三功率开关器的源极分别与所述第六功率开关器的漏极、永磁同步电机的三相定子绕组的B相连接；所述第五功率开关器的源极分别与所述第二功率开关器的漏极、永磁同步电机的三相定子绕组的C相连接。
3.如权利要求1所述的基于单电阻采样的母线电流采样电路，其特征在于，所述第一运算放大器的输出值为相电流采样值，所述第二运算放大器的输出值为母线电流采样值，所述第二电容的容值大于所述第一电容的容值。
4.一种基于单电阻采样的母线电流采样电路的采样方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在永磁同步电机控制周期中，获取逆变电路中用于控制六个功率开关器件导通状态获取三个比较值；
步骤2：将三个比较值分为：最大比较值、中间比较值、最小比较值；
步骤3：根据最大比较值、中间比较值、最小比较值、死区时间、振铃时间、ADC触发时间、ADC转换时间确定的第一个相电流采样时间点和第二个相电流采样时间点，具体方法为：
当Tmid-Tmin＞Td+Tr+TADCs时，所述第一个相电流采样时间点为：
当Tmid-Tmin≤Td+Tr+TADCs时，所述第一个相电流采样时间点为：Tmid-TADCtrig-TADCs；
当Tmax-Tmid＞Td+Tr+TADCs时，所述第二个相电流采样时间点为：
当Tmax-Tmid≤Td+Tr+TADCs时，所述第二个相电流采样时间点为：Tmax-TADCtrig-TADCs；
其中，Td为死区时间，Tr为振铃时间，TADCtrig为ADC触发时间，TADCs为ADC转换时间，Tmax为最大比较值、Tmid为中间比较值、Tmin为最小比较值；
步骤4：根据第一个相电流采样时间点、采样电阻的阻值、第二电容的容值，确定第一个母线电流采样时间点，根据第一个相电流采样时间点、第一个母线电流采样时间点对相电流、母线电流进行采样；根据第二个相电流采样时间点、采样电阻的阻值、第二电容的容值，确定第二个母线电流采样时间点，根据第二个相电流采样时间点、第二个母线电流采样时间点对相电流、母线电流进行采样，具体步骤为：
步骤41：根据采样电阻的阻值、第二电容容值确定RC滤波的时间常数；
步骤42：当所述第一个相电流采样时间点与所述时间常数的和小于所述中间比较值时，不对母线电流采样；当所述第一个相电流采样时间点与所述时间常数的和大于所述中间比较值时，将所述第一个相电流采样时间点和所述时间常数的和作为第一个母线电流采样时间点，对母线电流采样；
当所述第二个相电流采样时间点与所述时间常数的和小于所述中间比较值时，不对母线电流采样；当所述第二个相电流采样时间点与所述时间常数的和大于所述中间比较值时，将所述第二个相电流采样时间点与所述时间常数的和作为第二个母线电流采样时间点，对母线电流采样。
5.如权利要求4所述的基于单电阻采样的母线电流采样电路的采样方法，其特征在于，所述时间常数的计算公式为：
τ＝r1c2
其中，r1为采样电阻的阻值；c2为第二电容的容值。
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