CN1444793A - 功率元件与调节单元间可靠电隔离的电驱动驱动控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电驱动的驱动控制装置，其将功率元件和控制电路可靠电隔离。为避免该功率元件和控制电路之间用于光电耦合器和缓冲放大器的花费，仅将一个合适的电变压器(U)连接到调节单元(R)与控制电路(A)之间的数字通信接口(K)中，以实现可靠的电隔离。为了能使用变压器(U)进行无直流分量的编码，这里使用Manchester编码。也可以选择应用以太网－物理来实现合适的通信接口，其中，所述变压器电隔离开两个设置在以太网－物理中的通信线路，并且该变压器优选具有很小的电容和阻尼。

Description

功率元件与调节单元间可靠电隔离的电驱动驱动控制装置

本发明涉及一种用于电驱动的驱动控制装置，其具有一个位于相对高电位的功率元件，一个向该功率元件提供控制信号并从其获得相电流实际值的控制电路，以及一个位于相对低电位并通过数字通信接口与所述控制电路相连的调节单元，其中，在该功率元件与调节单元之间存在电隔离。

对于这种驱动控制装置，出于安全原因，必须将功率元件的高压端(直到720V)与调节单元的低压端(通常约为5V)可靠地电隔离开。为此，需要在某个位置上进行电隔离，其中，有关标准要求例如8mm的空气距离和漏电距离。为此，所采用的电元件必须满足该特殊标准的要求。

目前对于上述可靠电隔离的解决方法是在控制电路与功率元件之间进行这种隔离。图3用方框图示出了这种已公知的驱动控制装置。

功率元件LT从变流器(未示出)的中间电路ZK中获得能量，并提供三相电压用于控制电动机M。控制电路A分别通过六个光电耦合器OK(为清楚起见仅示例性地示出了一个这样的光电耦合器)提供六个控制信号Ux，用于控制设置在功率元件中的电流阀，尤其是控制IGBT晶体管的桥式电路。另外可能还需要一个这样的路径Ubr，用于控制制动削波(Bremschopper)。

在电动机M的三相R、S、T中，分别测得相应的相电流实际值IistR、IistS、IistT，并分别通过相应的缓冲放大器(Trennverstaerker)TV传输到控制电路。在个别情况下也可以只设置两个缓冲放大器，因为可以依据两个已测得的相电流实际值计算出第三相的电流。另外，需要一个缓冲放大器TV，以获取中间电路的电压Uzk。控制电路通过通信接口K与调节单元R相连。

因此，根据现有技术的状况，必须有六或七个(包括制动削波)光电耦合器OK和缓冲放大器TV来满足对可靠电隔离的要求。这种元件相对昂贵，因此对于需要大量上述元件的情况，其成本是非常高的。

因此本发明的目的是，实现更为简单并因此成本更为低廉的驱动控制装置，用于将功率元件与调节单元可靠电隔离开的电驱动。

根据本发明，上述目的是这样实现的，即通过以下方式进一步构成本文开始部分所述的驱动控制装置，即，为了实现电隔离，只将一个合适的变压器连接到在调节单元与控制电路之间的通信接口中。

在此，该变压器优选这样实现，即，通过它保证的电隔离满足对可靠电隔离的要求。

通常也可以实现双向传输。为此，建议一种采用广泛用于办公通信技术的以太网标准的元件的解决方法，其中采用基于以太网-物理(Ethemet-Physik)的数字通信接口，其中，所述变压器将两个设置在以太网-物理中的通信线路电隔离开来。

在此，已证实将变压器集成到控制电路中是具有优点的。

对于以太网，无法通过一个信道实现双向传输，因此需要两个独立的信道，这将增加费用。另一缺陷在于，按照以太网标准的变压器对于随时间的强电压变化(du/dt)无法保证足够的抗干扰性，尤其是无法保证电压超过720V时的可靠隔离。由于上述原因，根据本发明，还提供了一种满足上述要求的合适的变压器。

根据本发明，用于电驱动的所述驱动控制装置的另一优选实施方式为，在发送端设置一个编码器，用于对二进制数据流进行无直流分量编码，由此可以利用电变压器通过数字通信接口传输编码的数据流，并在接收端设置一个用于对该数据流进行解码的解码器。

由此可以实现在调节单元与控制电路之间的二进制信息传输，其中，避免了通过所述通信接口在数据流中出现变压器无法处理的直流分量。

已证实以下方式是有利的，即，通过发送端的编码器，通过传输数据流的二进制值产生人工信号变换作为定义的信号变换序列，以及通过解码器，通过将所属的二进制值与到达接收端的信号变换序列相对应，重新获得数据流的原始二进制值。

在此特别有利的是，编码器和解码器进行的是Manchester编码，因为对此有许多有利的标准组件可供利用。

基于本发明，能以极少的费用实现用于传输的串行通信接口，其中，能以半双工操作方式进行传输。

为了利用数据信号和时钟信号实现调节单元与控制电路之间的同步数字通信，已证实的优选方式是，将发送端的编码器用于对数据信号与时钟信号的异或逻辑运算，以便产生无直流分量的编码数据信号，该信号可通过通信接口的第一通信线路传输。该通信接口的第二通信线路用于传输时钟信号，并且所述电变压器设计成将两个通信线路电隔离开，其中，可以通过接收端的解码器重新对编码的数据信号和时钟信号进行逻辑运算，以重新获得原始数据信号。

为了避免数据信号与时钟信号之间的渡越时间(Laufzeit)差，建议采用以常数二进制值进行相同逻辑运算来对时钟信号进行编码和解码的部件，并通过第二通信线路传输编码后的时钟信号。

如果用编码器在发送端对数据信号和时钟信号进行异或逻辑运算，而在接收端用解码器对编码的数据信号和时钟信号重新进行异或逻辑运算，则可以特别简便且低成本地实现这一点。

对于上述时钟信号以及为了避免不同的渡越时间，根据本发明，用编码器将发送端的时钟信号与一常数二进制值、尤其是值零(null)进行异或逻辑运算，其中，该编码的时钟信号通过第二通信线路传输，其中，通过解码器在接收端将编码的时钟信号与同一常数二进制值、尤其是值零重新进行异或逻辑运算。

所有这些措施都证实以下方式是具有优点的，即，使变压器在其初级电路与次级电路之间具有很小的耦合电容，尤其是小于1pF的耦合电容。

此外，还具有优点的是，使变压器具有很小的阻尼，尤其是为了处理基于以太网-物理所能达到的高数据传输率所需的阻尼。

下面结合附图，借助以下实施方式说明本发明的其它优点和细节。其中对功能相同的元件使用相同的附图标记。附图中：

图1为根据本发明的具有简单可靠电隔离的驱动控制装置的方框图；

图2为按照图1的基于以太网-物理的驱动控制装置的方框图；

图3为根据现有技术的具有可靠电隔离的驱动控制装置的方框图。

在图1中示出了根据本发明的具有简单可靠电隔离的驱动控制装置的方框图。该装置基本对应于图3所示的根据现有技术的装置。本发明与其决定性的区别在于，通信接口K具有变压器U，由该变压器U实施可靠的电隔离SET。

以下所说明的通信方法可以实现通信接口K数据导线的电隔离，并由此可将可靠电隔离SET移动到通信接口K上。

由此，可以免去图3所示的现有技术中所必需的多个昂贵的光电耦合器OK和缓冲放大器TV。还由于只需要高压端与低压端的功能隔离，因此只需要例如4mm的空气距离和漏电距离。由此可以节省相当可观的费用。

根据本发明，首先将数据流进行适当的准备，然后通过变压器U进行传输。该变压器在初级侧与次级侧之间应当具有非常小的耦合电容(典型的是＜1pF)，以避免出现较大的电压-时间变化du/dt问题。此外，该变压器还应当具有很小的阻尼，以便可以进行高数据率传输，并适合于可靠隔离SET。

通过由上述变压器U保护的通信接口K进行通信在于使用按照广泛采用的以太网标准的通信元件，其中，基于以太网-物理实现该数字通信接口，其中，所述变压器电隔离开两个设置在以太网-物理中的通信路径。

图2部分地示出了这种可能性。为此，控制电路A和调节单元R具有基于以太网物理层的导线驱动器PL，该导线驱动器由适当的传输协议驱动。实际的传输是通过将两个通信线路电隔离开的变压器U来实现的。

如前所述，由于在以太网中无法通过一个信道实现双向传输，因此需要两个独立的信道RX1和TX1。因此用按照本发明的变压器来代替现有的以太网变压器，这种变压器根据现有标准对于随时间较大的电压变化(du/dt)无法保证足够的抗干扰性，尤其是无法保证在电压超过720V时进行可靠隔离。本发明的变压器是这样实现的，即，使该变压器为两个通信线路或信道保证可靠的电隔离。

在使用所述以太网-物理时，在通过变压器传输二进制数据时不会出现直流分量的问题，因为根据以太网标准，通过在其中实现的正和负电压以及零伏三个电压状态，不必担心会在变压器中出现饱和状态。

一个合适的同步传输系统的示例说明基于以太网-物理的通信网络通过合适的数字传输协议成为重要的传输系统。

由于对于图1所示的应用来说，通常取决于保持高精度的实时条件以及传输的高度可靠性，因此例如通过新的数据协议和新的存取控制来完全重新定义不能满足这种要求的(快速)以太网标准的传输层2(电码范围[Telegrammrahmen]和存取方法)，并由此将以太网-物理用作例如驱动元件之间实时通信的基础。由此可以实现调节单元R与功率元件LT之间的通信。

对于主单元，例如调节单元R与从单元(例如一个分布式驱动接口[Antriebsverband]的多个功率元件LT)之间的同步，已证实以下方式是具有优点的，即，通过对每个从单元经过各自的具有预先给定的总循环时间的计时器发出脉冲的方法实现从单元对主单元的同步，所述计时器是通过接收由主单元所确定的专用于从单元的各个同步信息来循环设置的。

因此可以采用主从通信结构。为了能以相同的采样时刻(Abtastzeitpunkt)实现循环数据变换，为主单元和所有从单元建立一个公共时基。通过将专门标记的、在时间上确定的主单元的电码(Telegramm)用于从单元，以及在从单元中被个性参数化的计时器，可以实现从单元对主单元的同步。

在此，可以传输有效数据电码和包含各自同步信息的专用同步电码。也可以将这种同步信息与标记出的有效数据电码集成到一起。

在此，如果各从单元计时器在预先给定的总循环时间结束后，在没有同步信息的情况下也能自动启动新的循环，则可以进一步提高通信系统的稳定性。

对于循环数据传输中的接收和发送操作，采用例如时隙存取方法(Zeitschlitz-Zugriffsverfahren)，由网络中的主单元进行初始化，并允许采用优化延迟时间(totzeit)的数据传输。由此，可以精确地监控电码的受干扰、提前或滞后传输的情况。

为此，只有主单元拥有用于初始化的在通信线路上的发送权利，并利用除总循环时间之外的从单元专用的相应电码通知各个只具有应答权利的从单元，其将在总循环时间内的哪些时隙(Zeitschlitz)中从主单元接收哪些电码，以及应当在哪些时隙中发送电码。

在此，已证实以下方式是具有优点的，即，在各同步时刻的初始化阶段通知各个从单元。

如果利用各功率元件LT的控制电路A，在公用时刻、尤其是循环开始时刻，将各瞬时值(例如所接通的电动机M的相电流实际值等)存储在各从单元、也就是各功率元件LT中，则可以实现对调节单元R的同时且等间隔的采样。

此外，在每个由主单元传送给从单元的电码中设置控制信息，利用这些控制信息可以激活直接设置在从单元中的针对可靠性的功能。

可以在电码范围中传输所述有效数据，该电码范围除了从地址和电码长度信息之外，还借助例如CRC校验和与其它对可靠性很重要的数据区域提供对数据完整性的保证。对电码范围中的数据，不仅可以由应用处理器，还可以由通信组件KOM进行分析。

为此，每个从单元都利用一个电码向主单元发出信号。该主单元然后在该信号消失时停止相应的对从单元的控制。

尽管应用按照以太网标准的传输技术原则上只允许点对点连接，但如同在(快速)以太网网络中一样，也可以通过应用网络节点(所谓的集线器HUB)来构成网络，其中多个或每个通信用户通过连接部件构成网络节点，用于将电码继续传送给另一主单元或其它从单元，其中，同样根据前面所述的优选方式，通过网络节点来进行通信用户之间的通信。根据本发明，然后借助合适的变压器U，将各通信接口K可靠地与功率元件LT的高压端电隔离开来。

借助上述优选方式，可以基于具有以太网-物理的通信系统实现实时通信。同时还可以利用以太网-物理建立具有通过网络节点连接的点对点连接的分级网络，以便以较大的网络拓扑结构进行实时通信。

当然为了实现本发明的与功率元件LT的可靠电隔离SET以及功率元件LT与调节单元R的连网(Vernetzung)，也可以采用其它通信网络来代替上面示例性描述的网络，前提是，传输带宽要保证在电流调节周期中的通信。

在此要注意，为了使用变压器，在采用其它数字通信方法时，也首先进行无直流分量的编码，其中，在此提供例如Manchester编码。由此可以避免由于多个相同二进制值序列而在变压器上加载变压器不能处理的准直流电压。

为此，在图1所示的驱动控制装置中，在调节单元R和控制电路A中，也就是在通信线路的两端，分别设置了编码器/解码器EC DC。由此对数据进行无直流分量的编码，例如Manchester编码，并作为编码数据可供使用。

只要能实现无直流分量的信号传输，当然也同样可以使用许多其它编码方法。

另一实施方式可以传输同步数据，其中，对信号进行合适的编码，以避免由于时钟信号与数据之间的异或逻辑(EXOR)运算而出现的直流分量。

为此，必须传输两个数据流，即数据信号和同步传输所需的时钟信号。因此设置了两个通信线路，它们通过类似于图2所示的变压器的可靠电隔离而得到保护。

所述数据信号首先不是无直流分量的。但为了能通过变压器传输该数据信号，首先将其与时钟信号进行异或逻辑或EXOR运算。结果产生编码的数据信号。为了避免不同的渡越时间，可以将时钟信号与常数二进制值，例如“零(null)”进行异或逻辑运算。

因此，通过将上述数据信号与时钟信号进行逻辑运算，可以保证通过变压器U传输无直流分量的编码数据信号。该时钟信号本身总是不含直流分量的。

此后，分别通过各通信线路传输编码信号，并通过再次将该两编码信号进行异或逻辑运算而重新获得原始数据流。为了重新获得原始时钟信号，将该时钟信号重新与常数二进制值进行异或逻辑运算。

当然，也可以采用其它对数据信号和时钟信号进行逻辑运算的方法，这些方法能实现对数据信号的无直流分量传输。上述按照本发明的异或逻辑运算由于其特别简单而有效的实现方式而显得与众不同。

Claims (15)

1.一种用于电驱动的驱动控制装置，其具有一个位于相对高电位的功率元件(LT)；一个向该功率元件(LT)提供控制信号(Ux)并从该功率元件(LT)获得相电流实际值(IistR，IistS，IistT)的控制电路(A)；以及一个位于相对低电位的调节单元(R)，该控制电路(A)通过一数字通信接口(K)与该调节单元(R)相连接，其中，在所述功率元件(LT)与调节单元(R)之间存在电隔离(GT)，其特征在于，为了实现电隔离(GT)，只将一个合适的电变压器(U)连接到调节单元(R)与控制电路(A)之间的通信接口(K)中。

2.根据权利要求1所述的用于电驱动的驱动控制装置，其特征在于，通过所述电变压器(U)保证满足可靠电隔离(SET)要求的电隔离。

3.根据权利要求1或2所述的用于电驱动的驱动控制装置，其特征在于，所述数字通信接口(K)基于以太网-物理来实现，其中，所述变压器(U)将两个设置在以太网-物理中的通信线路(RX1，TX1)电隔离开来。

4.根据权利要求3所述的用于电驱动的驱动控制装置，其特征在于，将所述变压器(U)集成到所述控制电路(A)中。

5.根据权利要求1或2所述的用于电驱动的驱动控制装置，其特征在于，在发送端设置一个编码器，用于对二进制数据流进行无直流分量的编码(EC DC)，由此可以通过具有所述电变压器(U)的所述数字通信接口(K)传输编码后的数据流，并在接收端设置一个用于对该数据流进行解码的解码器(EC DC)。

6.根据权利要求5所述的用于电驱动的驱动控制装置，其特征在于，可以通过发送端的所述编码器(EC DC)，通过传输作为所定义的信号变换序列的数据流的二进制值产生人工信号变换，并可通过所述解码器(EC DC)，通过将所属的二进制值与到达接收端的信号变换序列相对应重新获得数据流的原始二进制值。

7.根据权利要求6所述的用于电驱动的驱动控制装置，其特征在于，所述编码器和解码器(EC DC)用于Manchester编码。

8.根据上述权利要求中任一项所述的用于电驱动的驱动控制装置，其特征在于，设置串行通信接口(K)用于传输。

9.根据权利要求8所述的用于电驱动的驱动控制装置，其特征在于，用半双工操作方式进行传输。

10.根据权利要求5所述的用于电驱动的驱动控制装置，其在所述调节单元(R)与控制电路(A)之间用数据信号(DATA)和时钟信号(CLK)进行同步数字通信，其特征在于，所述发送端的编码器这样用于将所述数据信号(DATA)和时钟信号(CLK)进行异或逻辑运算，即，使结果产生无直流分量的编码数据信号(DATA′)，该信号通过所述通信接口(K)的第一通信线路传输，其中，所述通信接口(K)的第二通信线路用于传输时钟信号(CLK)，以及电变压器(U)是这样构成的，即，其使该两个通信线路电隔离开，其中，可以通过接收端的所述解码器，通过重新对编码的数据信号(DATA′)和时钟信号(CLK)进行逻辑运算，重新获得原始数据信号(DATA)。

11.根据权利要求10所述的用于电驱动的驱动控制装置，其特征在于，设置了用于对所述时钟信号(CLK)进行编码和解码、并将其与常数二进制值(M)进行逻辑运算的部件，并且该编码的时钟信号(CLK′)通过所述第二通信线路(K2)进行传输。

12.根据权利要求10或11所述的用于电驱动的驱动控制装置，其特征在于，所述编码器(EC DC)用于在发送端对所述数据信号和时钟信号进行异或逻辑运算，而在接收端的所述解码器(EC DC)用于将编码的数据信号和时钟信号重新进行异或逻辑运算。

13.根据权利要求12所述的用于电驱动的驱动控制装置，其特征在于，所述编码器(EC DC)用于在发送端将所述时钟信号与常数二进制值、尤其是值零进行异或逻辑运算，其中，将这样编码的时钟信号通过所述第二通信线路传输，其中，通过所述解码器(EC DC)，在接收端将编码的时钟信号重新与同一常数二进制值、尤其是值零进行异或逻辑运算。

14.根据上述权利要求中任一项所述的用于电驱动的驱动控制装置，其特征在于，变压器(U)在其初级电路与次级电路之间具有很小的耦合电容，尤其是小于1pF。

15.根据上述权利要求中任一项所述的用于电驱动的驱动控制装置，其特征在于，变压器(U)具有很小的阻尼。

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