CN205844390U - 一种电动车用电机定子线电流检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种电动车用电机定子线电流检测装置，其主要由传感电流取样单元、隔直单元、有效值处理单元、阻抗匹配单元、电流计算单元以及数字滤波单元组成；传感电流取样单元一端电连接隔直单元，隔直单元一端电连接有效值处理单元，有效值处理单元一端电连接阻抗匹配单元；传感电流取样单元、隔直单元、有效值处理单元和阻抗匹配单元集成为一体且集成后形成有定子电流检测硬件处理电路；电流计算单元一端电连接传感电流取样单元、隔直单元、有效值处理单元和阻抗匹配单元的集成体，另一端连接数字滤波单元。本实用新型结构设计简单、合理，动态响应速度快、精度高、抗干扰性强，能够满足电机控制中对电流的技术要求。

Description

一种电动车用电机定子线电流检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种电流检测装置，尤其涉及一种电动车用电机定子线电流检测装置。

背景技术

三相异步电动机在进行双闭环控制时,必须检测两相定子电流，定子的电压波形为近似方波信号，而电流波形为正弦波，在对电流进行控制时需要取出电流的有效值和相位关系，实际车用的电机驱动系统对电机控制器的功率密度和成本要求很高，因此如何利用简单的电路和器件来检测两相定子电流是实现三相异步电机双闭环控制的关键。

三相电动机的驱动器为电压型逆变器，驱动信号的电压为方波信号，由于电机为阻感性负载，因此在采用SPWM控制或者SVPWM控制时其电流波形为正弦波，在采用双闭环控制或者矢量控制时，必须对电机的两相电流进行计算，鉴于电机驱动系统对电流取样电路的精度和动态响应速度的要求，通常在小功率电机控制器中对电流取样的硬件电路和算法主要有一下几种：

一是通过全波整流的方式将交流信号变成脉动的直流信号，然后再通过无源或者有源滤波将脉动的直流编程恒定的直流信号，该恒定的直流信号经过一定的阻抗匹配后送入控制核心的AD通道，再利用软件的方法计算出峰值，最后将峰值转换为有效值。这种方法成本低，电路简单，缺点是由于取样传感电路输出的电压信号的频率从1HZ到120HZ，因此滤波电路的带宽要很快，造成取样电路在低频时动态响应速度慢，无法达到控制器对其响应速度的要求。

二是通过峰值取样电路，利用二极管和电容的组合来直接取出脉冲的峰值，该电路相对于一种方式来说电路更加简单，但是该电路仅仅在信号频率比较固定、电压波形比较干净的场合时使用时精度和动态响应速度能够得到保证，而在电机控制器中由于频率变化范围大，因此该电路仍然存在精度和 动态响应速度的问题。

三是传感器的信号经过有源滤波后送入控制核心的AD采样通道，利用有效值算法采用软件的形式直接计算出正弦信号的有效值。该方法成本低、使用简单，通用性强，但是这种方法依赖于电压信号的波形质量和控制核心的计算能力。

发明内容

针对以上问题，本实用新型提供了一种结构设计简单、合理，动态响应速度快、精度高、抗干扰性强，能够满足电机控制中对电流的技术要求的电动车用电机定子线电流检测装置。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

上述的电动车用电机定子线电流检测装置，其主要由传感电流取样单元、隔直单元、有效值处理单元、阻抗匹配单元、电流计算单元以及数字滤波单元组成；所述传感电流取样单元一端电连接隔直单元，所述隔直单元一端电连接所述有效值处理单元，所述有效值处理单元一端电连接所述阻抗匹配单元；所述传感电流取样单元、隔直单元、有效值处理单元和阻抗匹配单元集成为一体且集成后形成有定子电流检测硬件处理电路；所述电流计算单元一端电连接所述传感电流取样单元、隔直单元、有效值处理单元和阻抗匹配单元的集成体，另一端连接所述数字滤波单元。

所述电动车用电机定子线电流检测装置，其中：所述定子电流检测硬件处理电路是由霍尔芯片(A1)、瞬态抑制二极管TVS2和TVS3、电容C10～C20、电阻R18～R28、芯片U3、运算放大器Q4和Q5连接组成；所述霍尔芯片(A1)的型号为A1301；

所述霍尔芯片(A1)的1号引脚连接+5V电源，2号引脚接地；所述瞬态抑制二极管TVS2的阳极端接地，阴极端连接所述霍尔芯片(A1)的3号引脚；所述电容C10一端接地，另一端连接+5V电源；所述电容C11一端连接所述霍尔芯片(A1)的3号引脚，另一端接地；所述电容C12一端连接所述霍尔芯片(A1)的3号引脚，另一端连接所述电阻R20并通过所述电阻R20连接至所述芯片U3；所述电阻R18一端接地，另一端连接于所述霍尔芯片(A1)的3号引脚与所述电容C12的连接点；所述电阻R19一端接地，另一端连接于所 述电容C12与电阻R20的连接点；所述电容C13一端连接+5V电源，另一端接地；所述电容C14为极性电容；所述电阻R21一端连接所述芯片，另一端连接所述电阻R23并通过所述电阻R23连接所述运算放大器Q4的同相输入端；所述电容C15一端连接所述电阻R21与电阻R23的连接点，另一端接地；所述电阻R22一端连接所述电阻R21与电阻R23的连接点，另一端接地；所述运算放大器Q4的正极端连接+5V电源，负极端接地，反相输入端连接所述电阻R24并通过所述电阻R24接地；所述电容C16一端连接于所述运算放大器Q4的同相输入端与反相输入端之间；所述电阻R25连接于所述运算放大器Q4的反相输入端与输出端之间；所述电容C17并联于所述电阻R25两端；所述电容C18一端连接于所述运算放大器Q4的输出端，另一端接地；所述电阻R26并联于所述电容C18两端；所述电阻R27一端连接于所述运算放大器Q4的输出端，另一端连接于所述运算放大器Q5的同相输入端；所述运算放大器Q4的反相输入端与输出端相连；所述电阻R28一端连接所述运算放大器Q4的输出端，另一端连接有端子ADCIN5；所述电容C19一端连接端子ADCIN5，另一端接地；所述瞬态抑制二极管TVS3的阳极端接地，阴极端连接端子ADCIN5；所述电容C20一端连接+5V电源，另一端接地。

所述电动车用电机定子线电流检测装置，其中：所述霍尔芯片A1为由A1301霍尔芯片和带缺口的磁环构成的传感器。

所述电动车用电机定子线电流检测装置，其中：所述隔直单元的电路是由所述电阻R18、电阻R19和电容C12组成。

所述电动车用电机定子线电流检测装置，其中：所述有效值处理单元的电路是由电阻R20～R22、芯片U3、电容C13～C15组成。

所述电动车用电机定子线电流检测装置，其中：所述阻抗匹配单元的电路是由所述电阻R23～R28、电容C16～C19、运算放大器Q4～Q5、瞬态抑制二极管TVS3组成。

有益效果：

本实用新型电动车用电机定子线电流检测装置结构设计简单、合理，其首先利用磁环和霍尔电流芯片电流传感器取出定子电流信号，对取出的电流信号进行隔直处理后利用有效值芯片取出电流的有效值为一个0～5V电压信号，将该电压信号经过分压和电压跟随器以后输入电机控制器控制核心并处 理，该系统能够准确的检测电机定子的线电流值，动态响应速度快、精度高、抗干扰性强，能够满足电机控制中对电流的技术要求。

同时，传感电流取样单元输出的信号经过隔直电路后输入有效值处理单元，有效值处理单元直接将正弦信号的有效值转换成对应的电压值，该电压值经过阻抗匹配单元后进入AD采样通道，然后得出电流信号的有效值，得出的数值经过中值滤波、插值算法和滑动平均滤波，保证了电流计算的精度和实时性。

附图说明

图1为本实用新型电动车用电机定子线电流检测装置的结构示意图；

图2为本实用新型电动车用电机定子线电流检测装置的定子电流检测硬件处理电路图；

图3为本实用新型电动车用电机定子线电流检测装置的传感电流取样单元、隔直单元、有效值处理单元和阻抗匹配单元处理后的波形图；

其中，图3(a)为霍尔芯片A1的输出电压信号波形图；

图3(b)为电压信号经过隔直单元后输出电压信号波形图；

图3(c)为经隔直处理后的电压信号经有效值处理单元后得到的波形图；

图3(d)为电压波形经阻抗匹配单元后得到的波形图。

具体实施方式

如图1至3所示，本实用新型电动车用电机定子线电流检测装置，主要由传感电流取样单元1、隔直单元2、有效值处理单元3、阻抗匹配单元4、电流计算单元5以及数字滤波单元6组成。

该传感电流取样单元1一端电连接隔直单元2，其主要功能利用磁环和霍尔芯片组成的电流取样电路，提取定子电流信号，同时通过一定的比例变换将电流信号转换成一定幅值的电压信号输出。

该隔直单元2一端电连接有效值处理单元3，其主要功能是对传感电流取样单元1输出的信号进行隔直，将其中的直流信号隔直掉，该传感电流取样单元1输出的信号为正弦信号。

该有效值处理单元3一端电连接阻抗匹配单元4，其主要功能是对隔直单 元2输出的正弦信号通过有效值处理单元3，将正弦信号的有效值转换成一定比例关系的电压信号。

该阻抗匹配单元4主要功能是经过有效值处理单元3的信号经过后，减小输出电阻，与控制器的内部阻抗进行匹配，使得取出的正脉冲信号衰减最小。

其中，该传感电流取样单元1、隔直单元2、有效值处理单元3和阻抗匹配单元4集成为一体；该传感电流取样单元1、隔直单元2、有效值处理单元3和阻抗匹配单元4集成后形成定子电流检测硬件处理电路。

该定子电流检测硬件处理电路是由霍尔芯片A1、瞬态抑制二极管TVS2和TVS3、电容C10～C20、电阻R18～R28、芯片U3、运算放大器Q4和Q5连接组成；该霍尔芯片A1的型号为A1301；其中，该霍尔芯片A1的1号引脚连接+5V电源，2号引脚接地；该瞬态抑制二极管TVS2的阳极端接地，阴极端连接霍尔芯片A1的3号引脚；该电容C10一端接地，另一端连接+5V电源；该电容C11一端连接霍尔芯片A1的3号引脚，另一端接地；该电容C12一端连接霍尔芯片A1的3号引脚，另一端连接电阻R20并通过电阻R20连接至芯片U3的引脚IN1；该电阻R18一端接地，另一端连接于霍尔芯片A1的3号引脚与电容C12的连接点；该电阻R19一端接地，另一端连接于电容C12与电阻R20的连接点；该芯片U3通过引脚IN2接地，通过引脚V+连接+5V电源；电容C13一端连接+5V电源，另一端接地；该电容C14为极性电容，其正极端连接芯片U3的引脚Vout，负极端分别连接芯片U3的引脚OUT_RIN、引脚EN和引脚GND；电阻R21一端连接芯片U3的引脚Vout，另一端连接电阻R23并通过电阻R23连接运算放大器Q4的同相输入端；电容C15一端连接电阻R21与电阻R23的连接点，另一端接地；电阻R22一端连接电阻R21与电阻R23的连接点，另一端接地；该运算放大器Q4的正极端连接+5V电源，负极端接地，反相输入端连接电阻R24并通过电阻R24接地；该电容C16一端连接于运算放大器Q4的同相输入端与反相输入端之间；该电阻R25连接于运算放大器Q4的反相输入端与输出端之间；该电容C17并联于电阻R25两端；电容C18一端连接于运算放大器Q4的输出端，另一端接地；该电阻R26并联于该电容C18两端；该电阻R27一端连接于运算放大器Q4的输出端，另一端连接于运算放大器Q5的同相输入端；该运算放大器Q4的反相输入端与输出端相连；该电阻R28一端连接运算放大器Q4的输出端，另一端连接有端子ADCIN5；该电容C19一端连接端子ADCIN5，另一端接地；该瞬态抑制二极管TVS3的阳极端接地，阴极 端连接端子ADCIN5；电容C20一端连接+5V电源，另一端接地。

该霍尔芯片A1为由霍尔芯片A1301和带缺口磁环构成的传感器，该传感器为一跟随性质的传感器，能够将将通过磁环中的信号等比例缩小，然后通过A1301进行输出，该霍尔芯片A1的外围电路还包括电容C10～C11、瞬态抑制二极管TVS2和电阻R18。该隔直单元2是由电阻R18、电阻R19和电容C12组成。该有效值处理单元3由电阻R20～R22、芯片U3、电容C13～C15组成，在电阻R20的输入端为交流信号，在芯片U3的Vout端变成了直流信号。该阻抗匹配单元4是由电阻R23～R28、电容C16～C19、运算放大器Q4～Q5、瞬态抑制二极管TVS3组成，该电阻R23～R26、电容C16～C18和运算放大器Q4组成的电路将较小的直流信号进行放大，电压放大后的范围在0—2.5V，电阻R27、R28和运算放大器Q5组成的电路的功能是电压跟随器，该电容C19和瞬态抑制二极管TVS3具有无源滤波和限幅功能，防止端子ADCIN5的电压超过3V，超过3V以后就钳位在3V。

该电流计算单元5主要功能是通过控制核心将模拟量转换成数字量，通过利用过采样和程序判断方式提高其可靠性，其一端电连接该传感电流取样单元1、隔直单元2、有效值处理单元3和阻抗匹配单元4的集成体，另一端连接该数字滤波单元6。其中，该电流计算单元5主要功能为对输入的模拟量进行过采样算法，同时将模拟量转换成数字量。

该数字滤波单元6主要功能是对电流计算单元得到的电流值进行中值滤波、插值排序滤波以及滑动平均滤波，进一步提高电流测量的精度和提高其抗干扰性。

本实用新型电动车用电机定子线电流检测装置的工作原理：

由磁环和霍尔芯片A1组成的电流传感取样电路对定子电流进行取样，霍尔芯片A1的输出电压信号如附图3(a)所示，该电压信号经过隔直单元2后输出电压波形信号如附图3(b)所示,经隔直处理后的电压信号经有效值处理单元3后得到如附图3(c)所示,该电压波形经阻抗匹配单元4后得到如附图3(d)所示,该电压信号送入控制核心进行处理；在AD中断程序中，分别同时用CH0、CH1、CH4三个通道对AD1电压信号进行采样处理，采集到数字量分别存放在对应的结果寄存器中，对这三个采样的数值进行排序，剔除最大值和最小值，取中间值，该取出的中间值再次经过中值平均、插值排序、滑动平均后作为最终的电流值计算值赋值给控制量。

本实用新型电动车用电机定子线电流检测装置结构设计简单、合理，动态响应速度快、精度高、抗干扰性强，能够满足电机控制中对电流的技术要求，适于推广与应用。

Claims (6)

1.一种电动车用电机定子线电流检测装置，其特征在于：所述装置主要由传感电流取样单元、隔直单元、有效值处理单元、阻抗匹配单元、电流计算单元以及数字滤波单元组成；

所述传感电流取样单元一端电连接隔直单元，所述隔直单元一端电连接所述有效值处理单元，所述有效值处理单元一端电连接所述阻抗匹配单元；

所述传感电流取样单元、隔直单元、有效值处理单元和阻抗匹配单元集成为一体且集成后形成有定子电流检测硬件处理电路；所述电流计算单元一端电连接所述传感电流取样单元、隔直单元、有效值处理单元和阻抗匹配单元的集成体，另一端连接所述数字滤波单元。

2.如权利要求1所述的电动车用电机定子线电流检测装置，其特征在于：所述定子电流检测硬件处理电路是由霍尔芯片（A1）、瞬态抑制二极管TVS2和TVS3、电容C10~C20、电阻R18~R28、芯片U3、运算放大器Q4和Q5连接组成；所述霍尔芯片（A1）的型号为A1301；

所述霍尔芯片（A1）的1号引脚连接+5V电源，2号引脚接地；所述瞬态抑制二极管TVS2的阳极端接地，阴极端连接所述霍尔芯片（A1）的3号引脚；所述电容C10一端接地，另一端连接+5V电源；所述电容C11一端连接所述霍尔芯片（A1）的3号引脚，另一端接地；所述电容C12一端连接所述霍尔芯片（A1）的3号引脚，另一端连接所述电阻R20并通过所述电阻R20连接至所述芯片U3；所述电阻R18一端接地，另一端连接于所述霍尔芯片（A1）的3号引脚与所述电容C12的连接点；所述电阻R19一端接地，另一端连接于所述电容C12与电阻R20的连接点；所述电容C13一端连接+5V电源，另一端接地；所述电容C14为极性电容；所述电阻R21一端连接所述芯片U3，另一端连接所述电阻R23并通过所述电阻R23连接所述运算放大器Q4的同相输入端；所述电容C15一端连接所述电阻R21与电阻R23的连接点，另一端接地；所述电阻R22一端连接所述电阻R21与电阻R23的连接点，另一端接地；所述运算放大器Q4的正极端连接+5V电源，负极端接地，反相输入端连接所述电阻R24并通过所述电阻R24接地；所述电容C16一端连接于所述运算放大器Q4的同相输入端与反相输入端之间；所述电阻R25连接于所述运算放大器Q4的反相输入端与输出端之间；所述电容C17并联于所述电阻R25两端；所述电容C18一端连接于所述运算放大器Q4的输出端，另一端接地；所述电阻R26并联于所述电容C18两端；所述电阻R27一端连接于所述运算放大器Q4的输出端，另一端连接于所述运算放大器Q5的同相输入端；所述运算放大器Q4的反相输入端与输出端相连；所述电阻R28一端连接所述运算放大器Q4的输出端，另一端连接有端子ADCIN5；所述电容C19一端连接端子ADCIN5，另一端接地；所述瞬态抑制二极管TVS3的阳极端接地，阴极端连接端子ADCIN5；所述电容C20一端连接+5V电源，另一端接地。

3.如权利要求2所述的电动车用电机定子线电流检测装置，其特征在于：霍尔芯片（A1）为由A1301霍尔芯片和带缺口的磁环构成的传感器。

4.如权利要求2所述的电动车用电机定子线电流检测装置，其特征在于：所述隔直单元的电路是由所述电阻R18、电阻R19和电容C12组成。

5.如权利要求2所述的电动车用电机定子线电流检测装置，其特征在于：所述有效值处理单元的电路是由电阻R20~R22、芯片U3、电容C13~C15组成。

6.如权利要求2所述的电动车用电机定子线电流检测装置，其特征在于：所述阻抗匹配单元的电路是由所述电阻R23~R28、电容C16~C19、运算放大器Q4~Q5、瞬态抑制二极管TVS3组成。