CN114865974A - 一种电机变频驱动电路及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电机变频驱动电路包括主电路，包括具有三相逆变电路的变频功率模块；电流采样拓扑电路，与三相逆变电路电连接；电流采样电路，与电流采样拓扑电路电连接；控制芯片，分别与电流采样电路的输出端、变频功率模块电连接；电流采样拓扑电路包括第四电阻、第五电阻、第六电阻，第四电阻的第一端与第一相逆变电路电连接，第五电阻的第一端与第二相逆变电路电连接，第六电阻的第一端分别与第四电阻的第二端、第五电阻的第二端、第三相逆变电路电连接，第六电阻的第二端接地；电流采样电路包括两路比较电路，两个比较电路的输出端与控制芯片电连接。该电机变频驱动成本低，缩小了电路板体积。本发明还涉及电机变频驱动电路的工作方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种电机变频驱动电路，还涉及该电机变频驱动电路的工作方法。
背景技术
现行180°正弦波矢量控制的FOC变频驱动方案，都需要采集电机电流，实现对电机电流的解析、电机转子位置的估算观测，用以实现对电机转速的控制调节。
现有变频驱动主流电流采样拓扑结构如图1所示，采用R04/R05/R06三个采样电阻分别串联在三个桥臂中，实现对U/V/W三相电机电流的采样，并输出给MCU和比较器，用以实现对电机的转子位置估算、转速控制和过流/短路保护等功能。该采样拓扑结构中需要提供一个四运放构建电路采集U/V/W三路电流给MCU，以用于SVPWM驱动算法的控制。这是因为流过R04/R05/R06的电流具有两种方向的特性，因此在电流为0A时，采样电路输出的AD电压值应该在VDD/2处，这样才可以确保在同等大小的±xA大小的电流时，AD电压以VDD/2为中心，在0～VDD范围内对称输出，保证采样范围。因此采样电路构建时，首先需要用一个运放构建成电压跟随器，输出VDD/2作为基准源给另外三路运放做参考电平。各路采集的电流，经过图示过流保护电路中的比较器，比较器的输出供给变频功率模块的过流保护输入引脚。因为电流采样拓扑结构是分别采集U/V/W三相电流，因此过流保护需要分别采集U/V/W相三路对应的电压然后汇总到比较器上进行输出，电路较为复杂。
综上，如图1所示的现有的电机变频驱动电路中，需要采用一个四运放、四比较器来实现，外围电路元器件多，成本高，占用的PCB体积大。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术提供一种在能够减少运放数量、去掉比较器等电路，简化电路结构，降低成本，缩小电路板体积的基础上，同样可以实现对电机的转子位置估算、转速控制和过流/短路保护等功能的电机变频驱动电路。
本发明所要解决的第二个技术问题是针对上述现有技术提供一种电机变频驱动电路的工作方法。
本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种电机变频驱动电路，包括：
主电路，包括具有三相逆变电路的变频功率模块，所述三相逆变电路与电机电连接；
电流采样拓扑电路，与三相逆变电路电连接，用于提供三相逆变电路的电流采样架构；
电流采样电路，与电流采样拓扑电路电连接，用于获取电流采样拓扑电路输出电流；
控制芯片，分别与电流采样电路的输出端、变频功率模块电连接，用于计算各相电流；
其特征在于：所述电流采样拓扑电路包括第四电阻、第五电阻、第六电阻，第四电阻的第一端与第一相逆变电路电连接，第五电阻的第一端与第二相逆变电路电连接，第六电阻的第一端分别与第四电阻的第二端、第五电阻的第二端、第三相逆变电路电连接，第六电阻的第二端接地；
所述电流采样电路包括两路比较电路，其中第一路比较电路的两个输入端分别与第四电阻的第一端、第六电阻的第一端电连接，第二路比较电路的两个输入端分别与第五电阻的第一端、第六电阻的第一端电连接，两个比较电路的输出端与控制芯片电连接。
优选地，所述第一路比较电路包括第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第二电容、第三电容、第一运算放大器；第七电阻的第一端与弱电电源电连接，第七电阻的第二端与第一运算放大器的同相输入端电连接，第八电阻的第一端与第四电阻的第一端电连接，第八电阻的第二端与第七电阻的第二端电连接，第九电阻的第一端与第一运算放大器的同相输入端电连接，第九电阻的第二端接地，第十电阻的第一端与第一运算放大器的输出端电连接，第十电阻的第二端与控制芯片电连接，第十一电阻的第一端与第六电阻的第一端电连接，第十一电阻的第二端与第一运算放大器的反相输入端电连接，第十二电阻第一端与第一运算放大器的同相输入端电连接，第十二电阻第二端与第一运算放大器的输出端电连接，第二电容的两端电连接在第八电阻的第二端、第十一电阻的第二端之间，第三电容的第一端与第十电阻的第二端电连接，第三电容的第二端接地；
所述第二路比较电路包括第十三电阻、第十四电阻、第十六电阻、第十七电阻、第十八电阻、第十九电阻、第五电容、第六电容、第二运算放大器；第十三电阻的第一端与弱电电源电连接，第十三电阻的第二端与第二运算放大器的同相输入端电连接，第十四电阻的第一端与第四电阻的第一端电连接，第十四电阻的第二端与第十三电阻的第二端电连接，第十六电阻的第一端与第二运算放大器的同相输入端电连接，第十六电阻的第二端接地，第十七电阻的第一端与第二运算放大器的输出端电连接，第十七电阻的第二端与控制芯片电连接，第十八电阻的第一端与第六电阻的第一端电连接，第十八电阻的第二端与第二运算放大器的反相输入端电连接，第十九电阻第一端与第二运算放大器的同相输入端电连接，第十九电阻第二端与第二运算放大器的输出端电连接，第五电容的两端电连接在第十四电阻的第二端、第十八电阻的第二端之间，第六电容的第一端与第十七电阻的第二端电连接，第六电容的第二端接地。
更简单地，还包括过流保护电路，所述过流保护电路的输入端与第六电阻的第一端电连接；
所述变频功率模块中还包括驱动保护电路，所述过流保护电路的输出端与驱动保护电路电连接。
优选地，所述过流保护电路包括第十五电阻、第四电容，所述第十五电阻的第一端与第六电阻的第一端电连接，第十五电阻的第二端与第四电容的第一端电连接，第四电容的第二端接地，第四电容的第一端还与驱动保护电路电连接。
优选地，所述主电路还包括与强电电源电连接的整流电路，与整流电路、变频功率模块电连接的滤波电路。
本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：利用两路比较电路中的同相输入端采集其中两相逆变电路的电流，利用两路比较电路中的反相输入端采集三相逆变线路的总电流，利用两路比较电路进行运算放大而输出控制芯片能够识别的两相电流，控制芯片根据获取的这两相电流计算第三相电流，进而通过对三相电流的解析估算电机转子位置，并实现对电机转速的控制调节。
与现有技术相比，本发明的优点在于：该电机变频驱动电路，配合电机变频驱动电路的工作方法，基于电流采样拓扑电路的改变，能够减少电流采样电路中的比较电路的条数，该电流采样拓扑电路与电流采样电路的配合使得仅设置两条比较电路，即能获取三相电流数据，该电流采样拓扑电路与电流采样电路的配合结构减少了运算放大器的运用，使得电路结构更加简单，也降低该电机变频驱动电路的成本，缩小了电路板的体积，在现在降成本的大趋势下，特别适合小型化的应用。
并且基于该电流采样拓扑电路也使得过流保护电路能够更容易获取三相总电流，使得过流保护电路更加简单，进一步降低该电机变频驱动电路的成本、缩小了电路板的体积。
附图说明
图1为现有技术中电机变频驱动电路的电路图。
图2为本发明实施例中电机变频驱动电路的电路图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图2所示，本实施例中的电机变频驱动电路包括电机变频驱动电路，包括主电路1、电流采样拓扑电路2、电流采样电路3、控制芯片MCU、过流保护电路4。
其中主电路1包括强电电源电连接的整流电路12、与整流电路12电连接的滤波电路13、与滤波电路13电连接的变频功率模块11，该变频功率模块11中具有三相逆变电路以及驱动保护电路111，该驱动保护电路111与三相逆变电路，能够对三相逆变电路进行过流保护，而三相逆变电路与电机(M)电连接，该三相逆变电路用于驱动电机(M)进行工作，根据本领域的常用描述习惯，定义该三相分别为U相、V相、W相。
电流采样拓扑电路2与三相逆变电路电连接，用于提供三相逆变电路的电流采样架构。本实施例中的电流采样拓扑电路2包括第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6，第四电阻R4的第一端与第一相逆变电路电连接，第五电阻R5的第一端与第二相逆变电路电连接，第六电阻R6的第一端分别与第四电阻R4的第二端、第五电阻R5的第二端、第三相逆变电路电连接，第六电阻R6的第二端接地。其中第四电阻R4、第五电阻R5分别串联在两相逆变电路的桥臂中用于U、V两相的电流，而经过第四电阻R4、第五电阻R5后的U、V两相的电流与W相电流直接合并连接到第六电阻R6上，然后接地。如此流过第四电阻R4、第五电阻R5的电流分别为U、V相的相电流，而流过第六电阻R6的电流为U、V、W三相的总电流。
电流采样电路3与电流采样拓扑电路2电连接，用于获取电流采样拓扑电路2输出电流。该电流采样电路3仅采集U/V两相电流，W相电流经过控制芯片MCU中的软件计算获得。因此本实施例中的电流采样电路3只需要两个两路比较电路，其中第一路比较电路的两个输入端分别与第四电阻R4的第一端、第六电阻R6的第一端电连接，第二路比较电路的两个输入端分别与第五电阻R5的第一端、第六电阻R6的第一端电连接，两个比较电路的输出端与控制芯片MCU电连接。
控制芯片MCU分别与电流采样电路3的输出端、变频功率模块11电连接，该控制芯片MCU能够计算各相电流；通过两个比较电路能够直接获取U、V两相的电流，控制芯片MCU在获取比较电路传送的电流信息后，根据这两相电流计算获取W这相电流的电流值。
本实施例中第一路比较电路包括第七电阻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、第二电容C2、第三电容C3、第一运算放大器IC301A；第七电阻R7的第一端与弱电电源电连接，第七电阻R7的第二端与第一运算放大器IC301A的同相输入端电连接，第八电阻R8的第一端与第四电阻R4的第一端电连接，第八电阻R8的第二端与第七电阻R7的第二端电连接，第九电阻R9的第一端与第一运算放大器IC301A的同相输入端电连接，第九电阻R9的第二端接地，第十电阻R10的第一端与第一运算放大器IC301A的输出端电连接，第十电阻R10的第二端与控制芯片MCU电连接，第十一电阻R11的第一端与第六电阻R6的第一端电连接，第十一电阻R11的第二端与第一运算放大器IC301A的反相输入端电连接，第十二电阻R12第一端与第一运算放大器IC301A的同相输入端电连接，第十二电阻R12第二端与第一运算放大器IC301A的输出端电连接，第二电容C2的两端电连接在第八电阻R8的第二端、第十一电阻R11的第二端之间，第三电容C3的第一端与第十电阻R10的第二端电连接，第三电容C3的第二端接地。
第二路比较电路包括第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十六电阻R16、第十七电阻R17、第十八电阻R18、第十九电阻R19、第五电容C5、第六电容C6、第二运算放大器IC301B；第十三电阻R13的第一端与弱电电源电连接，第十三电阻R13的第二端与第二运算放大器IC301B的同相输入端电连接，第十四电阻R14的第一端与第四电阻R4的第一端电连接，第十四电阻R14的第二端与第十三电阻R13的第二端电连接，第十六电阻R16的第一端与第二运算放大器IC301B的同相输入端电连接，第十六电阻R16的第二端接地，第十七电阻R17的第一端与第二运算放大器IC301B的输出端电连接，第十七电阻R17的第二端与控制芯片MCU电连接，第十八电阻R18的第一端与第六电阻R6的第一端电连接，第十八电阻R18的第二端与第二运算放大器IC301B的反相输入端电连接，第十九电阻R19第一端与第二运算放大器IC301B的同相输入端电连接，第十九电阻R19第二端与第二运算放大器IC301B的输出端电连接，第五电容C5的两端电连接在第十四电阻R14的第二端、第十八电阻R18的第二端之间，第六电容C6的第一端与第十七电阻R17的第二端电连接，第六电容C6的第二端接地。
本实施例中的用于采样电流的两个比较电路采用电机变频驱动电路中的电源电路输出基准源电压，进而形成弱电电源，本实施例中将电压为VDD的弱电电源作为基准源，同时为了比较电路在相电流为0A时获得VDD/2的输出，设置了第九电阻R9、第十六电阻R16。具体地，第一运算放大器IC301A、第二运算放大器IC301B的同相输入端、反相输入端阻抗需匹配成相等的阻抗，第九电阻R9、第十六电阻R16则能平衡第一运算放大器IC301A、第二运算放大器IC301B同相输入端和反相端输入端的阻抗，使得第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9的并联阻抗等于第十一电阻R11、第十二电阻R12的并联阻抗，第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十六电阻R16的并联阻抗等于第十八电阻R18、第十九电阻R19的并联阻抗。
该电机变频驱动电路的工作方法为：利用两路比较电路中的同相输入端采集其中两相逆变电路的电流，利用两路比较电路中的反相输入端采集三相逆变线路的总电流，利用两路比较电路进行运算放大而输出控制芯片能够识别的两相电流，控制芯片根据获取的这两相电流计算第三相电流，进而通过对三相电流的解析估算电机转子位置，并实现对电机转速的控制调节。
具体地，第一运算放大器IC301A、第二运算放大器IC301B的同相输入端采集的电流为流经第四电阻R4、第五电阻R5的电流，即为单一相逆变电路的电流，第一运算放大器IC301A、第二运算放大器IC301B的反相输入端采集的电流为三相逆变电路的总电流，由于三相逆变电路的总电流是一个变化的电流，为了保证输出电压与同相输入端采样电流的线性关系，则在计算过程中需要消除反相输入端采样总电流变化的影响，减小计算的复杂程度，因此需要也需要保证第一运算放大器IC301A、第二运算放大器IC301B同相输入端和反相端输入端的阻抗相等。
这样根据运算放大器自身虚短/虚断的特性可计算：
第一运算放大器IC301A的输出电压AD_IU＝iu*R4*R12/R11+VDD/2，根据该计算公式计算U相电流；
第二运算放大器IC301B的输出电压AD_Iv＝iv*R5*R19/R18+VDD/2，根据该计算公式计算V相电流；
W相的电流则利用控制芯片MCU采用软件计算的方式获取：由于三相逆变电路的电流矢量和为零，根据
的关系，计算获取未设置对应比较电路的W相的电流。如此获取了电机M的三相工作电流，通过对电机电流的解析、电机转子位置的估算观测，用以实现对电机M转速的控制调节。
过流保护电路4的输入端与第六电阻R6的第一端电连接，变频功率模块11中还包括驱动保护电路111，过流保护电路4的输出端与驱动保护电路111电连接。本实施例中的过流保护电路4包括第十五电阻R15、第四电容C4，第十五电阻R15的第一端与第六电阻R6的第一端电连接，第十五电阻R15的第二端与第四电容C4的第一端电连接，第四电容C4的第二端接地，第四电容C4的第一端还与驱动保护电路111电连接。
本实施例中的电流采样拓扑电路2中，U、V两相电流对应流过第四电阻R4、第五电阻R5，然后和W相电流一起汇总到第六电阻R6上，即流过第六电阻R6的瞬时电流是三相总电流I_shunt，该总电流I_shunt通过一个第十五电阻R15和第四电容C4构成的低通滤波器连接到变频功率模块11中驱动保护电路111的ITRIP引脚，当U、V、W三相中的其中一相或者两相瞬时电流超过设定的过流点时，即I_shunt*R6>0.5V时，变频功率模块11中驱动保护电路111则能检测到过流的情况，进而关断三相逆变电路中下桥臂三个功率管Q4、Q5、Q6。R15/C4的时间常数设置在1～2us之间即可，通过调节R6电阻值，来实现过流点的调整；如果发生短路，I_shunt*R6肯定会超过0.5V，同样可以实现短路保护，通过此种方式可以节省掉比较器及其复杂的外围匹配电路。
综上，该电机变频驱动电路，基于电流采样拓扑电路2的改变，能够减少电流采样电路3中的比较电路的条数，该电流采样拓扑电路2与电流采样电路3的配合使得仅设置两条比较电路，即能获取三相电流数据，该电流采样拓扑电路2与电流采样电路3的配合结构减少了运算放大器的运用，使得电路结构更加简单，也降低该电机变频驱动电路的成本，缩小了电路板的体积，在现在降成本的大趋势下，特别适合小型化的应用。
并且基于该电流采样拓扑电路2也使得过流保护电路4能够更容易获取三相总电流，使得过流保护电路4更加简单，进一步降低该电机变频驱动电路的成本、缩小了电路板的体积。
Claims (6)
1.一种电机变频驱动电路，包括：
主电路(1)，包括具有三相逆变电路的变频功率模块(11)，所述三相逆变电路与电机(M)电连接；
电流采样拓扑电路(2)，与三相逆变电路电连接，用于提供三相逆变电路的电流采样架构；
电流采样电路(3)，与电流采样拓扑电路(2)电连接，用于获取电流采样拓扑电路(2)输出电流；
控制芯片(MCU)，分别与电流采样电路(3)的输出端、变频功率模块(11)电连接；
其特征在于：所述电流采样拓扑电路(2)包括第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、第六电阻(R6)，第四电阻(R4)的第一端与第一相逆变电路电连接，第五电阻(R5)的第一端与第二相逆变电路电连接，第六电阻(R6)的第一端分别与第四电阻(R4)的第二端、第五电阻(R5)的第二端、第三相逆变电路电连接，第六电阻(R6)的第二端接地；
所述电流采样电路(3)包括两路比较电路，其中第一路比较电路的两个输入端分别与第四电阻(R4)的第一端、第六电阻(R6)的第一端电连接，第二路比较电路的两个输入端分别与第五电阻(R5)的第一端、第六电阻(R6)的第一端电连接，两个比较电路的输出端与控制芯片(MCU)电连接。
2.根据权利要求1所述的电机变频驱动电路，其特征在于：所述第一路比较电路包括第七电阻(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)、第二电容(C2)、第三电容(C3)、第一运算放大器(IC301A)；第七电阻(R7)的第一端与弱电电源电连接，第七电阻(R7)的第二端与第一运算放大器(IC301A)的同相输入端电连接，第八电阻(R8)的第一端与第四电阻(R4)的第一端电连接，第八电阻(R8)的第二端与第七电阻(R7)的第二端电连接，第九电阻(R9)的第一端与第一运算放大器(IC301A)的同相输入端电连接，第九电阻(R9)的第二端接地，第十电阻(R10)的第一端与第一运算放大器(IC301A)的输出端电连接，第十电阻(R10)的第二端与控制芯片(MCU)电连接，第十一电阻(R11)的第一端与第六电阻(R6)的第一端电连接，第十一电阻(R11)的第二端与第一运算放大器(IC301A)的反相输入端电连接，第十二电阻(R12)第一端与第一运算放大器(IC301A)的同相输入端电连接，第十二电阻(R12)第二端与第一运算放大器(IC301A)的输出端电连接，第二电容(C2)的两端电连接在第八电阻(R8)的第二端、第十一电阻(R11)的第二端之间，第三电容(C3)的第一端与第十电阻(R10)的第二端电连接，第三电容(C3)的第二端接地；
所述第二路比较电路包括第十三电阻(R13)、第十四电阻(R14)、第十六电阻(R16)、第十七电阻(R17)、第十八电阻(R18)、第十九电阻(R19)、第五电容(C5)、第六电容(C6)、第二运算放大器(IC301B)；第十三电阻(R13)的第一端与弱电电源电连接，第十三电阻(R13)的第二端与第二运算放大器(IC301B)的同相输入端电连接，第十四电阻(R14)的第一端与第四电阻(R4)的第一端电连接，第十四电阻(R14)的第二端与第十三电阻(R13)的第二端电连接，第十六电阻(R16)的第一端与第二运算放大器(IC301B)的同相输入端电连接，第十六电阻(R16)的第二端接地，第十七电阻(R17)的第一端与第二运算放大器(IC301B)的输出端电连接，第十七电阻(R17)的第二端与控制芯片(MCU)电连接，第十八电阻(R18)的第一端与第六电阻(R6)的第一端电连接，第十八电阻(R18)的第二端与第二运算放大器(IC301B)的反相输入端电连接，第十九电阻(R19)第一端与第二运算放大器(IC301B)的同相输入端电连接，第十九电阻(R19)第二端与第二运算放大器(IC301B)的输出端电连接，第五电容(C5)的两端电连接在第十四电阻(R14)的第二端、第十八电阻(R18)的第二端之间，第六电容(C6)的第一端与第十七电阻(R17)的第二端电连接，第六电容(C6)的第二端接地。
3.根据权利要求1或2所述的电机变频驱动电路，其特征在于：还包括过流保护电路(4)，所述过流保护电路(4)的输入端与第六电阻(R6)的第一端电连接；
所述变频功率模块(11)中还包括驱动保护电路(111)，所述过流保护电路(4)的输出端与驱动保护电路(111)电连接。
4.根据权利要求3所述的电机变频驱动电路，其特征在于：所述过流保护电路(4)包括第十五电阻(R15)、第四电容(C4)，所述第十五电阻(R15)的第一端与第六电阻(R6)的第一端电连接，第十五电阻(R15)的第二端与第四电容(C4)的第一端电连接，第四电容(C4)的第二端接地，第四电容(C4)的第一端还与驱动保护电路(111)电连接。
5.根据权利要求1或2所述的电机变频驱动电路，其特征在于：所述主电路(1)还包括与强电电源电连接的整流电路(12)，与整流电路(12)、变频功率模块(11)电连接的滤波电路(13)。
6.一种如权利要求1至5任一权利要求所述的电机变频驱动电路的工作方法，其特征在于：利用两路比较电路中的同相输入端采集其中两相逆变电路的电流，利用两路比较电路中的反相输入端采集三相逆变线路的总电流，利用两路比较电路进行运算放大而输出控制芯片能够识别的两相电流，控制芯片根据获取的这两相电流计算第三相电流，进而通过对三相电流的解析估算电机转子位置，并实现对电机转速的控制调节。
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|---|---|
| CN (1) | CN114865974A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116169633A (zh) * | 2023-04-25 | 2023-05-26 | 广东汇芯半导体有限公司 | 一种电流保护半导体电路 |
-
2021
- 2021-02-05 CN CN202110164336.1A patent/CN114865974A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN116169633A (zh) * | 2023-04-25 | 2023-05-26 | 广东汇芯半导体有限公司 | 一种电流保护半导体电路 |
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