CN203732615U - 交流变频电机的机端电压测量仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了交流变频电机的机端电压测量仪，旨在克服若采集直流母线电压换算成机端电压误差较大和直接测量机端电压由于PWM方波特性，需要极高的数字采样频率和高速数字信号处理，普通控制器无法实现的问题，该测量仪（5）包括有传感器、采样电阻、AD采样模块与FPGA。传感器的输入端与逆变器（2）的输出端电线连接，传感器的输出端与采样电阻的一端电线连接，采样电阻的另一端与AD采样模块的信号输入端电线连接，AD采样模块的信号输出端与FPGA输入端通过I/O口连接。测量仪的输入口通过传感器与逆变器（2）输出端电线连接，测量仪的输出口通过FPGA即现场可编程逻辑门阵列与电机控制器（4）的输入端采用电线连接。

Description

交流变频电机的机端电压测量仪

技术领域

本实用新型涉及一种测量机构，更确切地说，本实用新型涉及一种交流变频电机机端电压测量仪。

背景技术

随着电力电子技术的飞速发展，交流变频电机在工业界得到了广泛应用。在交流变频电机系统中，控制算法是决定系统性能的核心，而传感器采集信号的准确度将直接影响到控制算法的效果。由于交流变频电机的端电压为高频高压的PWM形式，目前无法实现传感器实时测量，所以，目前工业界一般使用电压传感器测量逆变器输入端电压（如图1中Vdc所示）代替电机端电压（如图1中Vac所示）。由于这种测量方法无法精确考虑逆变器的电压损失，所以测量的电压误差较大，如何精确获得电机端电压近年来受到了国内外的广泛关注。

交流变频电机端电压的测量精度不但影响电机控制性能，而且对电机无位置传感器技术的发展有着重要意义。所谓电机无位置传感器技术就是利用电机的电压、电流信息估计电机转子位置信息的一种方法。在可靠性要求不高的应用场合，利用无位置传感器技术可以节约成本，省去购买、安装转子位置传感器的工作；在可靠性要求较高的场合，无位置传感器技术可以作为位置传感器的备份，在位置传感器失效的情况下使系统正常工作。显然，电机端电压测量的精度就会影响到转子位置估计的精度，事实上，无法得到准确的端电压正是影响无位置传感器技术目前无法大面积推广的一个重要因素。

经文献检索和调研，端电压测量精度对无位置传感器技术性能的影响也是在近5年内才被国外学者所重视，目前国内外均无直接准确测量交流变频电机机端PWM电压的方法。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服了现有技术存在的若采集直流母线电压，换算得到的端电压无法精确考虑逆变器的压降，误差较大和若直接测量电机端电压，由于PWM方波的特性，需要极高的数字采样频率和高速的数字信号处理，普通控制器无法实现的问题，提供了一种交流变频电机机端电压测量仪。

为解决上述技术问题，本实用新型是采用如下技术方案实现的：所述的交流变频电机的机端电压测量仪包括有传感器、采样电阻、AD采样模块与FPGA。

传感器的输入端与逆变器的输出端电线连接，传感器的输出端与采样电阻的一端电缆连接，采样电阻的另一端与AD采样模块的信号输入端电线连接，AD采样模块的信号输出端与FPGA输入端通过I/O口连接。

技术方案中所述的传感器选用HV-C04系列的传感器，采样电阻选用型号为0201的贴片电阻，AD采样模块选用型号为AD574A的ADC芯片，FPGA即现场可编程逻辑门阵列；HV-C04系列传感器的输出端Vc与型号为0201的贴片电阻的一端电线连接，型号为0201的贴片电阻的另一端与型号为AD574A的ADC芯片的Vi脚电线连接，型号为AD574A的ADC芯片的R口与D口和FPGA的IN口电线连接；型号为0201的贴片电阻、型号为AD574A的ADC芯片与FPGA是焊接在同一块电路板上的。

技术方案中所述的传感器选用LV25-P系列的传感器，采样电阻选用型号为0402的贴片电阻，AD采样模块选用型号为ADC0809的ADC芯片，FPGA即现场可编程逻辑门阵列；LV25-P系列传感器的输出端OUT与型号为0402的贴片电阻的一端电线连接，型号为0402的贴片电阻的另一端和型号为ADC0809的ADC芯片的IN0脚与IN1脚电线连接，型号为ADC0809的ADC芯片的D0口与D1口和FPGA的IN口电线连接；型号为0402的贴片电阻、型号为ADC0809的ADC芯片与FPGA是焊接在同一块电路板上的。

技术方案中所述的交流变频电机的机端电压测量仪的输入口通过传感器与逆变器输出端电线连接，交流变频电机的机端电压测量仪的输出口通过FPGA即现场可编程逻辑门阵列与电机控制器的输入端用电线连接。

与现有技术相比本实用新型的有益效果是：

1.参阅图1，由于交流变频电机的端电压为高频高压的PWM形式，目前无法实现传感器实时测量，所以，目前工业界一般使用电压传感器测量逆变器输入直流母线端电压Vdc代替交流变频电机端电压Vac。参阅图2，若测量逆变器输入端的直流母线电压，换算得到的交流变频电机端电压无法精确考虑逆变器的压降，误差较大。参阅图3，本实用新型改进了现有方案，在逆变器的输出端增加了基于FPGA的高速AD采样电压测量仪，这样可准确测量出逆变器输出端电压（即交流变频电机端电压），避免由于逆变器压降导致的测量电压误差，从而提高电机的控制性能。

2.交流变频电机的端电压除了对交流变频电机的控制性能有决定性的影响外，对交流变频电机的一些应用技术也有很大影响，例如在无位置传感器中利用交流变频电机端电压来确定转子位置，而交流变频电机端电压测量的精度影响到转子位置估计的精度，这是无位置传感器技术目前无法大面积推广的一个重要因素，本实用新型提出的测量电机端电压的方法得到了准确的端电压，有利于无位置传感器技术的推广。

3.由于交流变频电机的端电压为高频高压的PWM形式，一般频率约为5-20KHz，而决定该信号幅值的特性则为此高频的方波信号一个周期内高电平脉宽所占时间的比例。

如：交流变频电机电压PWM频率为10kHz，即PWM周期为100us，若电压采样频率高达1MHz，则其测量精度时间精度为1us，可见其测量误差高达1%，而这样高的采样频率将占用大量单片机的资源，实际应用非常困难。

而本实用新型的基于FPGA的高速AD采样电压测量仪，采用高速ADC芯片，一个通道有1Gb/s的采样率，如果在一片ADC上集成两路独立的ADC具有8bit转换精度，每个通道有1Gb/s的采样率，在交错模式下双路ADC并行采样可以达到2Gb/s的采样率。同时选用内部集成输出缓冲器的ADC，可以降低出数据率，方便与多种类型的高速FPGA直接相连，实现高速率数据存储和处理。利用FPGA直接控制ADC芯片对信号进行采样,然后将转换好的数据迅速存储到FPGA内部的存储器中，数据采集与数据传送独立于单片机，降低了对单片机频率的要求。FPGA软件处理功能强大，除了利用其控制ADC芯片和存储数据之外，还可以对采集到的数据进行实际占空比的计算、FFT（快速傅里叶变换）、滤波等方面处理，满足各类复杂的电机控制算法需求。

因此，本实用新型在实现电压高速采样的情况下，将大幅度降低交流变频电机控制系统所需的采样频率，摆脱了采用DSP、单片机等微处理器进行配置的传统方法，实现了对交流变频电机端电压数据的独立采集和处理，对高性能交流变频电机控制具有重要意义。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明：

图1是交流变频电机控制系统结构组成示意框图；

图2是传统技术中交流变频电机控制系统结构组成示意框图；

图3是采用本实用新型所述的交流变频电机机端电压测量仪的交流变频电机控制系统结构组成示意框图；

图4是本实用新型所述的交流变频电机机端电压测量仪的结构原理示意框图；

图中：1.直流电源，2.逆变器，3.交流变频电机，4.电机控制器，5.交流变频电机的机端电压测量仪。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作详细的描述：

参阅图2，图中所示是传统的交流变频电机控制系统，包括直流电源1、逆变器2、交流变频电机3与电机控制器4。直流电源1输出端通过直流母线与逆变器2的输入端相连，逆变器2的输出端通过三相动力线与电机3相连；

传统的交流变频电机控制系统是测量逆变器2的直流侧电压值Vdc，利用此电压值Vdc计算交流变频电机3的端电压值Vac作为电机控制器4的电压反馈信号。这种传统方法计算得到的电机3的端电压值Vac无法准确考虑逆变器2的非线性效应，从而造成反馈的电机端电压值Vac误差相对较大，不利于高性能电机控制。

参阅图3，图中是应用本实用新型提供的电压测量仪采集交流变频电机3端电压的交流变频电机控制系统。应用本实用新型所提供的电压测量仪的交流变频电机控制系统与上面所述的传统的交流变频电机控制系统相比，输入给电机控制器4的交流变频电机3的端电压值Vac来源不同，后者是采用一种高精度的电压测量仪5来测量逆变器2的输出端电压（即交流变频电机端电压）值Vac作为输入给电机控制器4的电压信号，这样测量得到的测量逆变器2的输出端电压是所需的交流变频电机端电压值，消除了逆变器2的压降误差。

参阅图4，本实用新型所提供的交流变频电机的机端电压测量仪5是包括传感器、采样电阻、AD采样模块、FPGA（现场可编程逻辑门阵列）。

传感器的作用将逆变器2输出高压电信号转化成低压电信号，低压电信号才能被AD采样模块使用。选择传感器时主要考虑被测电压范围，输出信号。

AD采样模块是一个高速电压采样模块，实现对高频高压的PWM波的采集。采用的高速ADC芯片，一个通道需要有1Gb/s以上的采样率，如果在一片ADC上集成两路独立的ADC具有8bit转换精度，每个通道有1Gb/s的采样率，在交错模式下双路ADC并行采样需要达到2Gb/s以上的采样率。同时选用内部集成输出缓冲器的ADC，这样可以降低输出数据率，方便与多种类型的高速FPGA（现场可编程逻辑门阵列）直接相连。

FPGA（现场可编程逻辑门阵列）的作用是利用其控制ADC芯片和存储数据，同时还可以对采集到的数据进行实际占空比的计算、FFT（快速傅里叶变换）、滤波等方面处理。FPGA（现场可编程逻辑门阵列）软件处理功能强大，能够实现对AD模块采集到的数据快速的处理和储存。AD模块的输出和FPGA（现场可编程逻辑门阵列）的输入均设计为LVDS（一种通用接口标准）逻辑标准，可实现AD模块与FPGA（现场可编程逻辑门阵列）的无缝连接。

传感器的输入端与逆变器的输出端使用电线相连，传感器的输出端与采样电阻的一端使用电线相连，采样电阻的另一端与AD模块的信号输入端口电线连接，AD模块与FPGA（现场可编程逻辑门阵列）通过I/O口连接，采样电阻、ADC芯片、FPGA焊接在同一块电路板上。

实施方案一，HV-C04系列传感器的输出端Vc使用电线接采样电阻（型号为0201的贴片电阻）一端，采样电阻（型号为0201的贴片电阻）的另一端接美国AD公司的型号为AD574A的ADC芯片的Vi脚，型号为AD574A的ADC芯片的R和D口接FPGA的IN口上，其中采样电阻（型号为0201的贴片电阻）、型号为AD574A的ADC芯片、FPGA是焊接在同一块电路板上的，电压测量仪的输出口与接电机控制器4的输入端用信号线连接。

实施方案二，LV25-P系列传感器的输出端OUT使用电线接采样电阻（型号为0402的贴片电阻）的一端，采样电阻（型号为0402的贴片电阻）的另一端接型号为ADC0809的ADC芯片的IN0和IN1脚，型号为ADC0809的ADC芯片的D0口和D1口接FPGA（现场可编程逻辑门阵列）的IN口上，其中采样电阻（型号为0402的贴片电阻）、型号为ADC0809的ADC芯片、FPGA是焊接在同一块电路板上的，电压测量仪的输出口与接电机控制器4的输入端用信号线连接。

使用本实用新型所述的交流变频电机的机端电压测量仪的交流变频电机控制系统的工作原理：

直流电源1通过直流母线将直流电压输出给逆变器2，逆变器2对输入的直流电压进行转换，转换得到的三相方波PWM电压供交流变频电机3工作。

电机控制器4采集交流变频电机的机端电压测量仪5测量到的交流变频电机3的端电压值Vac用于交流变频电机3的控制(即与需求电压作对比调节逆变器2的输出电压值或者进行无位置传感器转子位置估计等工作中)，从而使交流变频电机3达到需求工作状态。

本实用新型所述的交流变频电机的机端电压测量仪的工作原理：

逆变器2输出电压通过交流变频电机的机端电压测量仪5中的传感器转化为低压电信号,然后利用FPGA（现场可编程逻辑门阵列）控制ADC芯片高速采集通过采样电阻的传感器信号，ADC芯片采样后的数据传给FPGA（现场可编程逻辑门阵列），FPGA（现场可编程逻辑门阵列）对采集到的数据做信号处理，即采样阶段和数据读取阶段，采样阶段FPGA（现场可编程逻辑门阵列）控制ADC芯片对信号进行采样,然后将转换好的数据迅速存储到FPGA（现场可编程逻辑门阵列）内部的存储器中；数据读取阶段，FPGA（现场可编程逻辑门阵列）调用存储器中的高速采样数据并对高速采样数据进行所需的信号处理（如：占空比计算、FFT（快速傅里叶变换）、滤波等），相关处理结果存储在FPGA（现场可编程逻辑门阵列）的存储器中供电机控制器取用。FPGA（现场可编程逻辑门阵列）对采集到的数据并进行处理后，将数据传给电机控制器4，电机控制器4利用此值进行交流变频电机的控制。

Claims (4)

1.一种交流变频电机的机端电压测量仪，其特征在于，所述的交流变频电机的机端电压测量仪（5）包括有传感器、采样电阻、AD采样模块与FPGA；

传感器的输入端与逆变器（2）的输出端电线连接，传感器的输出端与采样电阻的一端电缆连接，采样电阻的另一端与AD采样模块的信号输入端电线连接，AD采样模块的信号输出端与FPGA输入端通过I/O口连接。

2.按照权利要求1所述的交流变频电机的机端电压测量仪，其特征在于，所述的传感器选用HV-C04系列的传感器，采样电阻选用型号为0201的贴片电阻，AD采样模块选用型号为AD574A的ADC芯片，FPGA即现场可编程逻辑门阵列；

HV-C04系列传感器的输出端Vc与型号为0201的贴片电阻的一端电线连接，型号为0201的贴片电阻的另一端与型号为AD574A的ADC芯片的Vi脚电线连接，型号为AD574A的ADC芯片的R口与D口和FPGA的IN口电线连接；型号为0201的贴片电阻、型号为AD574A的ADC芯片与FPGA是焊接在同一块电路板上的。

3.按照权利要求1所述的交流变频电机的机端电压测量仪，其特征在于，所述的传感器选用LV25-P系列的传感器，采样电阻选用型号为0402的贴片电阻，AD采样模块选用型号为ADC0809的ADC芯片，FPGA即现场可编程逻辑门阵列；

LV25-P系列传感器的输出端OUT与型号为0402的贴片电阻的一端电线连接，型号为0402的贴片电阻的另一端和型号为ADC0809的ADC芯片的IN0脚与IN1脚电线连接，型号为ADC0809的ADC芯片的D0口与D1口和FPGA的IN口电线连接；型号为0402的贴片电阻、型号为ADC0809的ADC芯片与FPGA是焊接在同一块电路板上的。

4.按照权利要求1所述的交流变频电机的机端电压测量仪，其特征在于，所述的交流变频电机的机端电压测量仪的输入口通过传感器与逆变器（2）输出端电线连接，交流变频电机的机端电压测量仪的输出口通过FPGA即现场可编程逻辑门阵列与电机控制器（4）的输入端用电线连接。