CN209690468U - 逆变器输出电压检测装置及逆变器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种逆变器输出电压检测装置及逆变器，逆变器输出电压检测装置，包括采样单元、调制单元和解调单元，调制单元包括数模混合ΔΣ芯片，解调单元包括电压时间积分单元和输出电压获取单元，其中：采样单元，用于检测逆变器输出电压瞬时值；数模混合ΔΣ芯片，用于将逆变器输出电压瞬时值转换为数据位流；解调单元，用于从数据位流中提取高位电压信息；电压时间积分单元，用于向输出电压获取单元输出相邻两个采样触发脉冲信号间的时间间隔以及电压时间面积；输出电压获取单元，用于根据时间间隔以及电压时间面积，确定输出电压。本实用新型减小了由于采样点不匹配引起的采样误差，避免了采样脉冲时间间隔传递，提高了模块通用性。
Description
技术领域
本实用新型实施例涉及电机控制技术领域，更具体地说，涉及一种逆变器输出电压检测装置及逆变器。
背景技术
由于无速度传感器控制方案具有成本低、可靠性高的优点，目前在电机驱动系统中已获得广泛应用。矢量控制系统下无速度传感器控制方案的关键是旋转坐标系定向角度的观测。现有基于电机T型等效模型的观测均直接或者间接的基于电机三相输入电压。
电机三相电压通常采用逆变器脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)占空比反算得到。然而由于电压型逆变器死区时间、功率管压降等非理想因素，反算电压与真实电压之间存在误差，在低输出频率下，误差电压甚至大于真实输出电压，严重降低定向角度观测的准确性。
现有的逆变器非线性补偿方法一定程度上可以降低误差电压，但是该方法需基于逆变器输出电流检测和逆变器非线性模型，而实际情况下因电流开关纹波以及逆变器非对称性的影响，很难精确建模，限制了补偿方案的精度。
为避免上述问题采取的方式是通过电压检测电路直接检测输出电压，目前已有的方案有：
高电平时间检测法，通过硬件电路直接检测逆变器在脉冲宽度调制模式下的输出电压高电平时间，结合母线电压和高电平时间，计算得到输出相电压。但该方案只适合于检测两电平拓扑下逆变器输出相电压，不能应用于线电压检测和多电平输出电压检测，而且该方案是通过硬件比较的形式不能有效的反映实际输出电压斜率变化，并忽略了逆变器非线性电压误差中功率管压降部分。
多段电压比较检测法，采用多段电压比较的形式，获取逆变器不同电压下输出时间，累计获得脉冲宽度调制下开关周期内的平均值。该方案一定程度上可以体现输出电压斜率变化，并且能够检测多电平电压。但是该方案的多段数与硬件系统复杂度成正比，提高了硬件系统成本和复杂度，且依旧不能体现功率管压降部分。
低通滤波检测法，这类方案通过有源或者无源的形式搭建低通滤波器，滤除逆变器输出脉冲宽度调制信号中的高频量。在低通滤波采样方案下随着实际频率的提高，滤波后电压幅度值降低，难以保障模拟信号的采样精度。而且在正常运行频率低的场合，为保障电压检测精度，需要调整硬件时间常数，适用范围窄。除此之外，低通滤波还存在相位和幅值误差，为精确补偿，需要采用高精度滤波电容，成本较高。
实用新型内容
本实用新型实施例提供一种逆变器输出电压检测装置及逆变器，旨在解决现有逆变器输出电压采样方法缺点的问题，如高电平时间检测法：不能应用于线电压检测和多电平输出电压检测，且忽略了逆变器非线性电压误差中功率管压降部分，不能有效反应输出电压斜率变化；多段电压比较检测法：提高了硬件系统成本和复杂度，且不能体现功率管压降部分；低通滤波检测法：存在适用范围窄，且存在电压检测相位和幅度误差的问题。
本实用新型实施例解决上述技术问题的技术方案是，提供一种逆变器输出电压检测装置，包括采样单元、调制单元和解调单元，所述调制单元包括数模混合ΔΣ芯片，所述解调单元包括电压时间积分单元和输出电压获取单元，其中：
所述采样单元，用于检测逆变器输出电压瞬时值，且连接到所述数模混合ΔΣ芯片；
所述数模混合ΔΣ芯片，用于将所述逆变器输出电压瞬时值的模拟信号转换为数据位流，且连接到所述解调单元；
所述解调单元，用于从所述数据位流中提取高位电压信息；
所述电压时间积分单元连接到所述输出电压获取单元，用于向输出电压获取单元输出相邻两个采样触发脉冲信号间的时间间隔，以及相邻两个采样触发脉冲信号间的电压时间面积；
所述输出电压获取单元，用于将所述相邻两个采样触发脉冲信号间的采样电压平均值作为当前拍的输出电压输出。
在本实用新型实施例所述的逆变器输出电压检测装置中，所述电压时间积分单元包括第一时间积分子单元，所述第一时间积分子单元在接收到上一拍采样触发脉冲信号时复位，并在接收到当前拍采样触发脉冲信号时存储积分累加值以及积分计算相邻两个采样触发脉冲信号间的时间间隔。
在本实用新型实施例所述的逆变器输出电压检测装置中，所述电压时间积分单元还包括第二时间积分子单元和电压时间面积积分子单元，所述解调单元包括Sinc3滤波器，其中：
所述第二时间积分子单元，用于在接收到上一拍采样触发脉冲信号时，启动积分累加，并在每一次接收到Sinc3滤波器采样完成信号或者当前拍采样触发脉冲信号时，存储所述第二时间积分子单元的积分累加数值，并将所述第二时间积分子单元的积分累加数值作为细分时间段；所述细分时间段为所述上一拍采样触发脉冲信号与Sinc3滤波器输出采样完成信号之间的时间间隔，两个Sinc3滤波器输出采样完成信号间的时间间隔，或者所述Sinc3滤波器输出采样完成信号与当前拍采样触发脉冲信号之间的时间间隔；
所述电压时间面积积分子单元，用于在接收到上一拍采样触发脉冲信号时，启动积分累加，并在每一次接收到Sinc3滤波器采样完成信号或者当前拍采样触发脉冲信号时，将所述第二时间积分子单元的积分累加数值和接收到所述Sinc3滤波器采样完成信号或者当前拍采样触发脉冲信号时的电压瞬时值的乘积作为所述细分时间段的电压时间面积；并将所述细分时间段的电压时间面积累加至所述电压时间面积积分子单元中，直到接收到当前拍采样触发脉冲信号，获取所述相邻两个采样触发脉冲信号间的电压时间面积。
在本实用新型实施例所述的逆变器输出电压检测装置中，所述Sinc3滤波器采样完成信号的周期根据所述调制单元的时钟和所述Sinc3滤波器的抽取率获得。
在本实用新型实施例所述的逆变器输出电压检测装置中，所述解调单元在现场可编程门阵列FPGA中执行。
在本实用新型实施例所述的逆变器输出电压检测装置中，所述采样单元包括输出电压检测电路，所述输出电压检测电路用于检测第一输入端和第二输入端的电压偏差，包括：
在所述第一输入端连接在逆变器第一相的输出端，第二输入端连接在逆变器母线电压负极时，则检测第一相的输出相电压；在所述第一输入端连接在逆变器第一相的输出端，所述第二输入端连接在逆变器第二相的输出端，则检测第一相与第二相间的输出线电压；所述第一相为U、V或W三相中的任一一相，所述第二相为非第一相的另外两相中的任一一相。
在本实用新型实施例所述的逆变器输出电压检测装置中，所述电压检测电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻；其中，所述第一输入端经由所述第一电阻和第二电阻连接到参考地；所述第二输入端经由所述第三电阻和第四电阻连接到参考地；所述第一电阻和第二电阻的连接点以及第三电阻和第四电阻的连接点分别连接到所述调制单元。
本实用新型实施例还提供一种逆变器，包括如上所述的逆变器输出电压检测装置。
本实用新型实施例提供的逆变器输出电压检测装置及逆变器具有以下有益效果：通过准确求取采样触发脉冲间电压时间面积积分方案和求取采样触发脉冲间平均电压方案，减小了由于采样点不匹配引起的采样误差，避免了采样脉冲时间间隔传递，提高了模块通用性。
附图说明
图1本实用新型实施例提供的逆变器输出电压检测装置的示意图；
图2本实用新型实施例提供的逆变器输出电压检测装置中采样触发脉冲信号与Sinc3滤波器输出采样完成信号的示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型实施例的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型实施例，并不用于限定本实用新型实施例。
通常情况下电机控制系统中脉冲占空比调整频率为开关频率的一倍或两倍，常规逆变器开关频率在200Hz到20kHz范围内。脉冲占空比调整期间，逆变器给定电压保持不变，本实用新型实施例提出一种逆变器输出电压检测装置求取采样触发脉冲间平均电压的方案。如图1所示，本实用新型实施例提供的逆变器输出电压检测装置的示意图，该逆变器输出电压检测装置，包括采样单元11、调制单元12和解调单元13，调制单元12包括数模混合ΔΣ芯片，解调单元13包括电压时间积分单元和输出电压获取单元，其中：
采样单元11，连接到数模混合ΔΣ芯片，用于检测逆变器输出电压瞬时值，将模拟高电压信号按照比例转化为符合调制单元12电平要求的模拟低电压信号。具体地，采样单元11包括输出电压检测电路，该输出电压检测电路用于检测第一输入端Uin1和第二输入端Uin2的电压偏差，第一输入端Uin1和第二输入端Uin2满足对任意相或线电压的检测，且不限制电压形状，适用于两电平或者多电平差分电压信号。
具体地，在第一输出端Uin1连接在逆变器第一相的输出端，第二输出端Uin2连接在逆变器母线电压负极时，则采样器11检测第一相的输出相电压；在第一输出端Uin1连接在逆变器第一相的输出端，第二输出端Uin2连接在逆变器第二相的输出端，则采样器11检测第一相与第二相间的输出线电压。
其中，第一相可为U、V或W三相中的任一一相，第二相可为非第一相的另外两相中的任一一相。如第一输出端Uin1连接在逆变器U相输出端，第二输出端Uin2连接在逆变器母线电压负极，则采样器11检测输出U相电压；如第一输出端Uin1连接在逆变器U相输出端，第二输出端Uin2连接在逆变器V相输出端，则该模块检测输出U、V相间线电压。
上述电压检测电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4；其中，第一输入端Uin1经由第一电阻R1和第二电阻R2连接到参考地；第二输入端Uin2经由第三电阻R3和第四电阻R4连接到参考地；第一电阻R1和第二电阻R2的连接点以及第三电阻R3和第四电阻R4的连接点分别连接到调制单元12。
上述调制单元12用于将模拟低电压信号高速转换成数据位流，并隔离输出。由于逆变器采用脉冲宽度调制技术，通过调整载波周期内输出电压脉冲宽度实现期望电压输出，在脉冲边沿处电压变化极快，常规在1微秒以内。常规的逐次逼近型采样方案关注电压点瞬时值，不能准确获取电压快速变化过程中电压时间面积。本实用新型实施例创新性引入数模混合ΔΣ芯片采样方案，该方案能准确获得采样时间内的电压平均值，即使在电压快速变化过程中。该数模混合ΔΣ芯片将逆变器输出电压瞬时值的模拟信号转换为数据位流后，连接到解调单元。
上述解调单元13，用于从数据位流中提取高位电压信息，并在FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)中执行。
上述电压时间积分单元连接到输出电压获取单元，用于向输出电压获取单元输出相邻两个采样触发脉冲信号间的时间间隔，以及相邻两个采样触发脉冲信号间的电压时间面积。
上述电压时间积分单元包括第一时间积分子单元，第一时间积分子单元在接收到上一拍采样触发脉冲信号时复位，并在接收到当前拍采样触发脉冲信号时存储积分累加值以及积分计算相邻两个采样触发脉冲信号间的时间间隔。
如图2所示，本实用新型实施例提供的逆变器输出电压检测装置对电压时间积分进行优化，解调单元包括Sinc3滤波器，用于从数据位流中提取高位电压信息，实现准确采样，即使在电压快速变化过程中。在数模混合ΔΣ芯片采样方式下Sinc3滤波器采样完成信号(如图2中标号0～17)的周期(如图2中ta)根据调制单元12的时钟和Sinc3滤波器的抽取率获得，例如20MHz时钟的调制单元结合32抽取率的Sinc3滤波器，Sinc3滤波器采样完成信号的输出时间间隔为1.6μs，其中，调制单元12的时钟和Sinc3滤波器的抽取率可根据用户的需求，通过软件控制或者通过设备型号选择确定。
考虑到采样触发脉冲信号(如图2中K-1、K和K+1)与Sinc3滤波器采样完成信号的输出采样点不一定匹配，且采样触发脉冲信号与Sinc3滤波器采样完成信号的采样时间间隔不能整除(如图2中，Sinc3滤波器采样完成信号0与采样触发脉冲信号K-1之间的时间间隔和Sinc3滤波器采样完成信号的标号8与采样触发脉冲信号K之间的时间间隔)，本实用新型实施例对电压时间积分进行优化。
具体地，上述电压时间积分单元还包括第二时间积分子单元和电压时间面积积分子单元，其中：
第二时间积分子单元，用于在接收到上一拍采样触发脉冲信号时，启动积分累加(在启动前需清零)；并在每一次接收到Sinc3滤波器采样完成信号或者当前拍采样触发脉冲信号时，存储第二时间积分子单元的积分累加数值，并将第二时间积分子单元的积分累加数值作为细分时间段，细分时间段为采样触发脉冲信号与Sinc3滤波器输出采样完成信号之间的时间间隔，两个Sinc3滤波器输出采样完成信号间的时间间隔，或者Sinc3滤波器输出采样完成信号与当前拍采样触发脉冲信号之间的时间间隔。
电压时间面积积分子单元，用于在接收到上一拍采样触发脉冲信号时，启动积分累加(在启动前需清零)，并在每一次接收到Sinc3滤波器采样完成信号或者当前拍采样触发脉冲信号时，将第二时间积分子单元的积分累加数值和接收到Sinc3滤波器采样完成信号或者当前拍采样触发脉冲信号时的电压瞬时值的乘积作为细分时间段的电压时间面积；以及将细分时间段的电压时间面积累加至电压时间面积积分子单元中，直到接收到当前拍采样触发脉冲信号，获取相邻两个采样触发脉冲信号间的电压时间面积。
上述输出电压获取单元，用于根据相邻两个采样触发脉冲信号间的时间间隔及电压时间面积，确定相邻两个采样触发脉冲信号间的采样电压平均值，并将相邻两个采样触发脉冲信号间的采样电压平均值作为当前拍的输出电压。
本实用新型实施例提供的逆变器输出电压检测装置，通过准确求取采样触发脉冲间电压时间面积积分方案和求取采样触发脉冲间平均电压方案，减小了由于采样点不匹配引起的采样误差，避免了采样脉冲时间间隔传递，提高了模块通用性。
本实用新型实施例还提供一种逆变器，包括如上所述的逆变器输出电压检测装置。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种逆变器输出电压检测装置，其特征在于，包括采样单元、调制单元和解调单元，所述调制单元包括数模混合ΔΣ芯片，所述解调单元包括电压时间积分单元和输出电压获取单元，其中：
所述采样单元，用于检测逆变器输出电压瞬时值，且连接到所述数模混合ΔΣ芯片；
所述数模混合ΔΣ芯片，用于将所述逆变器输出电压瞬时值的模拟信号转换为数据位流，且连接到所述解调单元；
所述解调单元，用于从所述数据位流中提取高位电压信息；
所述电压时间积分单元连接到所述输出电压获取单元，用于向输出电压获取单元输出相邻两个采样触发脉冲信号间的时间间隔，以及相邻两个采样触发脉冲信号间的电压时间面积；
所述输出电压获取单元，用于将所述相邻两个采样触发脉冲信号间的采样电压平均值作为当前拍的输出电压输出。
2.根据权利要求1所述的逆变器输出电压检测装置，其特征在于，所述电压时间积分单元包括第一时间积分子单元，所述第一时间积分子单元在接收到上一拍采样触发脉冲信号时复位，并在接收到当前拍采样触发脉冲信号时存储积分累加值以及积分计算相邻两个采样触发脉冲信号间的时间间隔。
3.根据权利要求2所述的逆变器输出电压检测装置，其特征在于，所述电压时间积分单元还包括第二时间积分子单元和电压时间面积积分子单元，所述解调单元包括Sinc3滤波器，其中：
所述第二时间积分子单元，用于在接收到上一拍采样触发脉冲信号时，启动积分累加，并在每一次接收到Sinc3滤波器采样完成信号或者当前拍采样触发脉冲信号时，存储所述第二时间积分子单元的积分累加数值，并将所述第二时间积分子单元的积分累加数值作为细分时间段；所述细分时间段为所述上一拍采样触发脉冲信号与Sinc3滤波器输出采样完成信号之间的时间间隔，两个Sinc3滤波器输出采样完成信号间的时间间隔，或者所述Sinc3滤波器输出采样完成信号与当前拍采样触发脉冲信号之间的时间间隔；
所述电压时间面积积分子单元，用于在接收到上一拍采样触发脉冲信号时，启动积分累加，并在每一次接收到Sinc3滤波器采样完成信号或者当前拍采样触发脉冲信号时，将所述第二时间积分子单元的积分累加数值和接收到所述Sinc3滤波器采样完成信号或者当前拍采样触发脉冲信号时的电压瞬时值的乘积作为所述细分时间段的电压时间面积；并将所述细分时间段的电压时间面积累加至所述电压时间面积积分子单元中，直到接收到当前拍采样触发脉冲信号，获取所述相邻两个采样触发脉冲信号间的电压时间面积。
4.根据权利要求3所述的逆变器输出电压检测装置，其特征在于，所述Sinc3滤波器采样完成信号的周期根据所述调制单元的时钟和所述Sinc3滤波器的抽取率获得。
5.根据权利要求1所述的逆变器输出电压检测装置，其特征在于，所述解调单元在现场可编程门阵列FPGA中执行。
6.根据权利要求1所述的逆变器输出电压检测装置，其特征在于，所述采样单元包括输出电压检测电路，所述输出电压检测电路用于检测第一输入端和第二输入端的电压偏差，包括：
在所述第一输入端连接在逆变器第一相的输出端，第二输入端连接在逆变器母线电压负极时，则检测第一相的输出相电压；在所述第一输入端连接在逆变器第一相的输出端，所述第二输入端连接在逆变器第二相的输出端，则检测第一相与第二相间的输出线电压；所述第一相为U、V或W三相中的任一一相，所述第二相为非第一相的另外两相中的任一一相。
7.根据权利要求6所述的逆变器输出电压检测装置，其特征在于，所述电压检测电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻；其中，所述第一输入端经由所述第一电阻和第二电阻连接到参考地；所述第二输入端经由所述第三电阻和第四电阻连接到参考地；所述第一电阻和第二电阻的连接点以及第三电阻和第四电阻的连接点分别连接到所述调制单元。
8.一种逆变器，其特征在于，包括如权利要求1-7中任一项所述的逆变器输出电压检测装置。
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| CN201822278220.7U CN209690468U (zh) | 2018-12-29 | 2018-12-29 | 逆变器输出电压检测装置及逆变器 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109581220A (zh) * | 2018-12-29 | 2019-04-05 | 深圳市汇川技术股份有限公司 | 逆变器输出电压检测方法、装置、设备及存储介质 |
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- 2018-12-29 CN CN201822278220.7U patent/CN209690468U/zh active Active
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| CN109581220A (zh) * | 2018-12-29 | 2019-04-05 | 深圳市汇川技术股份有限公司 | 逆变器输出电压检测方法、装置、设备及存储介质 |
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