CN1193842A - 用于脉宽调制电机驱动的电流检测电路 - Google Patents

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Abstract

一种检测逆变器开关电流的电路,逆变器开关具有与电源端和公共端相连的输入端并具有输出端,逆变器开关响应于控制信号,其特征在于所述电路包括:电流互感器,具有与所述逆变器开关输入端和输出端耦合的初级绕组和产生正比于逆变器开关电流的输出信号的次级绕组;与所述互感器的所述次级绕组耦合的电阻器;以及串联耦合在所述次级绕组与所述电阻器之间并响应于所述控制信号以在所述逆变器开关处于关断状态时断开所述电阻器的a－c开关。

Description

用于脉宽调制电机驱动的电流检测电路
本发明涉及电机矢量控制用的脉宽调制(PWM)电机驱动中逆变器电流的检测，具体而言涉及不用霍尔检测器来检测这种电流。
高性能的电机驱动需要检测电机电流的波形并反馈给PWM控制器。常用的方法获取所需电流反馈信号是从与电机绕组串联的霍尔式传感器获得。霍尔变送器体积大而价格高，因此需要寻找其它方法来实现这种功能。
一种替代的方法是仅仅检测逆变器输入电流而不检测三个输出电流并利用逆变器中开关的PWM时序信号来处理这种单一的电流波形以“重建”代表电机电流的三个电流波形。图1A示出了这种结构。
但是，从逆变器输入电流重建电机电流可能达不到电机矢量控制所需的精度。如图1B所示，给定电机相位内的电流只能在逆变器开关八个可能状态中的两个精确确定。重建电机电流波形的丢失片断可以“反计算”(calculate back)得到，但是不具备总精度。
另一向矢量控制提供所需精度的方法是从由串联每个下部三个逆变器开关的电流观察电阻器20-22获取的信号中重建电机电流波形。图2A示出了这种结构。
如图2B所示，这种结构下任何给定电机相位内的电流对于逆变器开关八个可能状态中的五个来说是已知的。丢失的片断可以以足够的精度“反算”得到。
但是，电流观察电阻器的缺点是消耗一定的功率。而且，随着驱动功率的增加，由于电感-电阻(L/R)比增大，所以电流观察电阻器两端的噪声尖峰也增加。需要采用滤波器来去除噪声尖峰，而这延缓了响应并增加了故障反应时间。另一缺点是电流观察电阻器不提供隔离的信号。基于上述这些原因，超过某一电机电流采用电流观察电阻器是不现实的。
按照本发明，提供了利用普通a-c电流互感器或者Rogowski磁通量检测线圈来检测各的逆变器开关电流的新颖结构。由于无需任何磁心材料，所以后一解决方案具有特别的吸引力。
上述每个方案都避免采用霍尔式传感器，基本上是无耗的，并提供了隔离的快速反馈信号。上述概念将电流检测单元的操作性能与PWM逆变器的操作性能较好的结合起来。通过将电流检测单元的操作模式归并到逆变器的操作模式中，可以在任何逆变器输出频率(包括零)下输出代表开关电流的隔离电流信号。当采用基本电流检测单元作为单独的单元时，绕开了其固有的低频限制的难题。
通过以下结合附图对本发明的描述可以进一步理解本发明的其它特点和优点。
结合以下附图对本发明作更详细的描述：
图1A示出了检测逆变器输入电流的已知结构；而图1B示出了当如图1A所示检测逆变器输入电流输出电流时为已知的可能的逆变器开关状态。
图2A示出了检测三个各别的个逆变器输入电流的已知结构；以及图2B示出了输出相电流为已知的可能的逆变器开关状态。
图3A为按照本发明实施例的采用a-c电流互感器检测逆变器开关电流的电路图；以及图3B为图3A所示电路的时序图。
图4A为按照本发明实施例的采用Rogowski线圈检测逆变器开关电流的电路图；以及图4B为图4A所示电路的时序图。
图5为图3A电路用于全电机电流检测的电路图。
图6为图4A电路用于全电机电流检测的电路图。
图3A示出了按照本发明的采用a-c电流互感器检测逆变器开关电流的第一较佳实施例。图3B示出了相关的电流和电压波形。
当相关的IGBT逆变器开关34导通时，逆变器开关电流流经互感器32的初级绕组。电流互感器32随后运行在正常状态下以通过次级绕组提供输出信号，该信号正比于任一逆变器电流极性的逆变器开关34内的电流(即经过IGBT34A或二极管34B的电流)。虽然互感器32与逆变器开关的输出端相连，但是当与输入端相连时互感器也提供相似的输出信号。
当逆变器开关34关断时，a-c开关37和38将信号生成电阻器39从图3B所示脉宽调制(PWM)时序信号驱动的互感器32的输出端断开。PWM信号还驱动逆变器开关。当逆变器开关34关断时，由于根据定义在此期间没有逆变器开关电流，所以断开电阻器39不危及电阻两端的信号。
在关断期间，互感器次级绕组内的磁化电流由一对箝位Zener二极管35和36两端的逆行(flyback)电压驱动至零。Zener二极管比较好的是击穿电压明显大于电阻39上的普通信号电压以便即使当关断时间远小于导通时间时也能在开关关断期间完成磁通量清零。但是如果关断时间短暂到无法完成磁通量清零，则由于在随后较长的关断间隔内将进行充分的清零，所以短暂的清零时间实际上无关紧要。
在上述电路中，电流互感器对于每个新的开关电流片断更新和处于准备状态，磁通量基本为零。这样，代表开关电流的单向输出信号的连续序列可以形成于电阻器39两端，而电流互感器32磁心中的磁通量保持远低于磁饱和数值的状态，如图3B所示。
图4A示出了采用Rogowski线圈来检测逆变器开关电流的第二较佳实施例。这里，Rogowski线圈与逆变器开关的输出端相连，但是也可以与输入端相连。Rogowski线圈42基本上是一个空气心线圈磁通量检测器并输送正比于逆变器44提供的初级电流di/dt的输出电压。随后采用包括运算放大器47、电阻器48和电容器46在内的积分器41来提供代表逆变器开关电流的信号。
从原理上讲，如果积分器41是理想的并且没有偏离或漂移，则积分器将提供严格正比于逆变器开关电流的连续输出信号。但是在实践中偏离和漂移是不可避免的并且当允许积分器自由振荡时将在积分器中在低输出频率处引起无法接受的误差。
第二实施例的优点是通过在相关的逆变器开关关断期间利用复位装置45将积分器的输出清零并保持为零克服了这个难题。由于在任何情况下积分器输出都应该在这段时间内为零，所以积分器的每次清零都提供了小而明显的校正动作以将积分器重新校正并“保持真实状态”。
这样，即使当逆变器输出频率为零时，也不会有积分器漂移。于是积分器的输出为逆变器开关元偏备的真实重现。
图3所示结构的优点是，与采用霍尔变送器相比，实现起来更为容易并且提供了小型电路和便宜的解决方案。
而且，图4所示的结构吸引人之处在于不采用磁心。与电流互感器相比，Rogowski线圈的制造更为简单和便宜，并且在机械上更容易与小型电机控制器驱动电源组件兼容。
Rogowski线圈可以缠绕在直线柔性非磁模子上。随后取下整个线圈并沿初级导体弯曲。
比较好的是采用带快速转换速的优质积分器。
图5和6示出了图3和4所示实施例如何可以分别加以扩展以提供对电机电流的全检测。图5示出了采用图3所示检测电路的改进，其中使用了a-c电流互感器，而图6示出了采用图4检测电路的改进，其中使用了Rogowski线圈。
如图5所示，各检测电路被用于桥臂的上下IGBT逆变器开关50和52。当逆变器开关50导通时，电流经过互感器54的初级绕组，其次级绕组向信号生成电阻器68提供正比于逆变器开关50内电流的输出信号。当输送给上IGBT逆变器开关50的PWM信号关断时由a-c开关64和66将该信号与电阻器68断开。
类似地，当下逆变器开关52导通时，电流经过互感器56的初级绕组，并且互感器56经次级绕组向电阻器68提供正比于相关的逆变器开关内电流的输出信号。当输送给下IGBT逆变器开关52的PWM信号关断时由a-c开关60和62将该信号与电阻器68断开。两个检测电路的输出由此组合起来在该臂输出端一模一样地再现了电机电流。
如上所述，图6所示的电路将Rogowski线圈检测电路用于桥臂的上下IGBT逆变器开关70和72。这里Rogowski线圈74提供正比于由上逆变器开关70输送的初级电流di/dt的输出电压，Rogowski线圈76提供下逆变器开关72的模拟输出电压。由运算放大器88、电容器84和电阻器86构成的积分器用来提供代表上逆变器开关电流的信号，而由运算放大器89、电容器85和电阻器87构成的积分器用来提供与下逆变器开关电流相应的信号。复位电路82和83在上下逆变器开关70和72输送的PWM信号处于关断期间保持积分器的输出为零。两个积分器的输出随后输送至由运算放大器90和电阻器91、92以及93构成的求和放大器电路以在该臂的输出端一模一样地再现电机电流。
按照本发明，3相逆变器桥的三个桥臂可以采用如图5或6所示的类似检测电路。三个臂中的两个也可以采用第三臂电流被重建为另外两个之和的检测电路。后一结构需要差动变压器或者其它装置以在需要接地电流故障值时检测第三臂中的接地故障电流。
虽然上面对本发明通过特殊的实施例作了描述，但本领域内普通技术人员无需创造性劳动即可完成对本发明的修改或改进，因此本发明不由这里的特殊的揭示由后面所附权利要求书限定。

Claims (8)

1.一种检测逆变器开关电流的电路，逆变器开关具有与一有关电源端和公共端相连的输入端并具有输出端，逆变器开关响应于控制信号，其特征在于所述电路包括：
电流互感器，具有与所述逆变器开关输入端和输出端之一耦合的初级绕组和产生正比于逆变器开关电流的输出信号的次级绕组；
与所述互感器的所述次级绕组耦合的电阻器；以及
串联耦合在所述次级绕组与所述电阻器之间并响应于所述控制信号以在所述逆变器开关处于关断状态时断开所述电阻器的a-c开关。
2.如权利要求1所述的电路，其特征在于进一步包括箝位电路，用来在所述逆变器电路处于关断状态时驱动磁通量和所述次级绕组两端的电压基本为零。
3.一种逆变器电路，其特征在于包括：
响应于控制信号的逆变器开关，具有与所述一有关电源端和所述公共端耦合的输入端并具有输出端；以及
如权利要求1所述的检测电路，其中所述逆变器开关为MOS栅极控制半导体器件和IGBT中的一种。
4.一种检测逆变器开关电流的电路，逆变器开关具有与一有关电源端和公共端相连的输入端并具有输出端，逆变器开关响应于控制信号，其特征在于所述电路包括：
磁通量传感器，具有与所述逆变器开关输入端和输出端之一耦合的初级端和产生正比于逆变器开关输出电流di/dt的输出电压的次级端；
与所述次级绕组耦合以产生正比于逆变器开关电流的信号的积分器；以及
复位电路，用来在所述控制信号关断所述逆变器开关时使所述积分器输出清零并保持为零。
5.如权利要求4所述的电路，其特征在于所述磁通量传感器为Rogowski线圈。
6.一种逆变器电路，其特征在于包括：
响应于控制信号的逆变器开关，具有与所述一有关电源端和所述公共端耦合的输入端并具有输出端；以及
如权利要求4所述的检测电路，其中所述逆变器开关为MOS栅极控制半导体器件和IGBT中的一种。
7.一种检测由第一和第二逆变器开关构成的一逆变器桥臂内输出电流的电路，所述第一逆变器开关响应于第一控制信号而且具有与一有关电源端和公共端相连的输入端并具有输出端，所述第二逆变器开关响应于第二控制信号而且具有与另一所述电源端和公共端相连的输入端并具有输出端，其特征在于所述电路包括：
第一电流互感器，具有与所述第一逆变器开关输入端和输出端之一耦合的初级绕组和产生正比于所述第一逆变器开关电流的输出信号的次级绕组；
与所述变压器的所述次级绕组的一端耦合的电阻器；
串联耦合在所述第一互感器所述次级绕组另一端与所述电阻器之间并响应于所述第一控制信号以在所述第一逆变器开关处于关断状态时将所述电阻器与所述第一互感器断开的第一a-c开关；
第二电流互感器，具有与所述第二逆变器开关输入端和输出端之一耦合的初级绕组和产生正比于所述第二逆变器开关电流的输出信号的次级绕组；
与所述第二变压器的所述次级绕组耦合的所述电阻器；以及
串联耦合在所述第二互感器所述次级绕组另一端与所述电阻器之间并响应于所述第二控制信号以在所述第二逆变器开关处于关断状态时将所述电阻器与所述第二变压器断开的a-c开关；
8.一种检测由第一和第二逆变器开关构成的逆变器桥臂内输出电流的电路，所述第一逆变器开关响应于第一控制信号而且具有与一有关电源端和公共端相连的输入端并具有输出端，所述第二逆变器开关响应于第二控制信号而且具有与另一电源端和公共端相连的输入端并具有输出端，其特征在于所述电路包括：
第一磁通量传感器，具有与所述第一逆变器开关输入端和输出端之一耦合的初级端和产生正比于所述第一逆变器开关电流di/dt的第一输出电压的次级端；
与所述第一磁通量传感器的所述次级绕组耦合以产生正比于所述第一逆变器开关电路的信号的第一积分器；
第一复位电路，用来在所述第一控制信号关断所述第一逆变器开关时使所述第一积分器输出清零并保持为零；
第二磁通量复位器，具有与所述第二逆变器开关输入端和输出端之一耦合的初级端和产生正比于所述第二逆变器开关电流di/dt的第二输出电压的次级端；
与所述第二磁通量复位器的所述次级绕组耦合以产生正比于所述第二逆变器开关电路的信号的第二积分器；
第二复位电路，用来在所述第二控制信号关断所述第二逆变器开关时使所述第二积分器输出清零并保持为零；以及
将所述第一和第二积分器的输出组合起来的组合电路。
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