CN211554131U - 一种永磁同步电机相电流检测电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于电子技术领域，公开了一种永磁同步电机相电流检测电路，包括将交变的相电流转化为交变的电压信号的电压信号生成电路；与电压信号生成电路相连接，通过运算偏置电路，将交变的电压信号变为正向的电压信号的正向电压信号生成电路；与正向电压信号生成电路相连接，对信号进行低通滤波处理，通过钳位二极管接入DSP的ADC采集引脚实现信号采集的采集电路。该永磁同步电机相电流检测电路在对永磁同步电机相电流检测的工程应用下，该电路具有较高的精度和准确性。除此之外，该电路还具有结构简单、成本高、稳定性较好的特点，可以同时对交流、直流信号进行检测，可移植性强，具有较好的实用性。
Description
技术领域
本实用新型属于电子技术领域，尤其涉及一种永磁同步电机相电流检测电路。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：随着电力、电子行业的发展，衍生出了众多的电流检测方法，比如电阻检测、变压器检测等，每一种方法都有各自的特点，与各自的应用场合。
用来检测电流的电阻，通常称为分流电阻，分流电阻的阻值一般比较小，具有高精度、低温漂的特点，将分流电阻串联在被测电路中，然后采集电阻两端的电压并放大，再根据公式计算得出检测的电流。虽然采用分流电阻检测电流成本低、结构简单，但是当检测的电流较大时，将分流电阻串联在电路中，相当于加入阻抗，阻抗一但引入就会产生不可忽略的误差，同时分流电阻产生的功耗会使自身发热，电流越大则功耗越大，功耗越大则产生的热量越多，而电阻的阻值又会随温度的升高而变化，这就又一次引入了误差。因此，分流电阻通常用来检测较小的电流，而永磁同步电机的相电流比较大，所以不宜采用。
用变压器来检查电流，变压器检测电流最大的优点在于，它可以通过原边与副边使检测电路与被检测电路隔离，同时它的测量精度也较高，但是由于变压器只能作用于交流信号，因此，这种方法只能检测交流电信号，无法检测直流电信号，这就限制了它的运用场合，所以本设计也不予采用。
电流作为一个重要的物理量，它能够很好的反应电路的性能。在工程应用中，对于一个硬件电路系统而言，通常需要对电流进行检测，通过检测到的数据能够知道系统当前的运行状态，当检测的数据异常时，会产生故障信号，而通常故障信号会被送入主控芯片。因此，能够准确、迅速的检测电流，就显得尤为的重要。在永磁同步电机的控制系统中，需要对相电流进行检测，但是以往的电流检测电路在进行相电流检测时，总存在着一些误差，不能对原信号进行很好的采集。
综上所述，现有技术存在的问题是：(1)分流电阻通常用来检测较小的电流，而永磁同步电机的相电流比较大，所以不宜采用；
(2)由于变压器只能作用于交流信号，变压器检测电流的方法只能检测交流电信号，无法检测直流电信号；
(3)在永磁同步电机的控制系统中，对相电流的检测存在着一些误差，不能对原信号进行很好的采集。
实用新型内容
针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种永磁同步电机相电流检测电路。
本实用新型是这样实现的，一种永磁同步电机相电流检测电路包括：
将交变的相电流转化为交变的电压信号的电压信号生成电路；
与电压信号生成电路相连接，通过运算偏置电路，将交变的电压信号变为正向的电压信号的正向电压信号生成电路；
与正向电压信号生成电路相连接，对信号进行低通滤波处理，通过钳位二极管接入DSP的ADC采集引脚实现信号采集的采集电路。
进一步，所述采集电路上还并联有电流保护电路，所述电流保护电路连接DSP处理器。
进一步，所述DSP处理器连接电压钳位电路。
进一步，所述电流保护电路设置有电流传感器，所述电流传感器的输入端连接和两路电源，所述电流传感器的输出端与运算偏置电路连接；
所述运算偏置电路通过串联电阻构成一阶的RC低通滤波电路。
进一步，所述RC低通滤波电路连接电压比较器。
进一步，所述DSP处理器连接CPLD可编程逻辑器，CPLD可编程逻辑器连接PWM驱动电路。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：该永磁同步电机相电流检测电路在对永磁同步电机相电流检测的工程应用下，该电路具有较高的精度和准确性。除此之外，该电路还具有结构简单、成本高、稳定性较好的特点，可以同时对交流、直流信号进行检测，可移植性强，具有较好的实用性。
附图说明
图1是是本实用新型实施例提供的霍尔效应原理图。
图2是本实用新型实施例提供的运算偏置电路图。
图3是本实用新型实施例提供的信号滤波、电压钳位电路图。
图4是本实用新型实施例提供的电流保护电路图。
图5是本实用新型实施例提供的电压比较器的输出信号分析图。
图6是本实用新型实施例提供的总电路设计图。
图7是本实用新型实施例提供的传感器输出电压间隔为0.1v时运放理论输出电压和实测电压散点图。
图8是本实用新型实施例提供的传感器输出电压间隔为0.05v时运放理论输出电压和实测电压散点图。
具体实施方式
为能进一步了解本实用新型的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种永磁同步电机相电流检测电路，下面结合附图1至图8对本实用新型作详细的描述。
该永磁同步电机相电流检测电路利用霍尔效应，将交变的相电流转化为交变的电压信号，然后再通过运算偏置电路，将此交变的电压信号变为正向的电压信号，对信号进行低通滤波处理，通过一个钳位二极管接入DSP的ADC采集引脚。通过电流保护电路提高设备、仪器的使用安全系数，当检测到永磁同步电机相电流出现异常时，电流保护电路会输出一个电流故障信号给DSP，DSP会迅速做出处理。实验数据表明，此电流检测电路能够较精确的实现电流的检测，具有实用性。
永磁同步电机有三相相电流，对相电流进行准确的检测，根据基尔霍夫电流定律：任一时刻流进一个节点的电流代数和为零，对于三路电流，只需要检测其中的两路，另外一路可以通过基尔霍夫电流定律计算得到。该永磁同步电机相电流检测电路是基于DSP为主控芯片设计的电路，主控芯片DSP在接收到故障信号后会通过程序控制硬件做出相应的动作，这样就可以有效的避免诸如过载、短路等威胁设备安全、生命安全的情况出现。霍尔电流传感器既可以检测交流电信号，也可以检测直流电信号，并且检测时不引入误差，精度也较高，同时它又能实时响应电流的变化，为了实现对永磁同步电机的高性能控制，采用霍尔传感器来实时检测永磁同步电机的相电流。
霍尔电流传感器是基于霍尔效应设计的用来检测电流的一种传感器，本实用新型使用LEM集团生产的型号为HAS 400-S的一款电流传感器。霍尔效应的原理图如图1所示，当一个导体流过如图1方向的电流，同时外加如图1方向，且强度为B的磁场时，通过左手定则，使磁感线穿过手掌心，四指指向电流流过的方向，则大拇指为带电粒子所受洛仑磁力的方向，因此电子将会如图1所示向通电导体的下方偏移，这就使得通电导体的下方带负电，同时通电导体的上方由于缺少电子，就会带正电，于是这就使得通电导体的上方和下方出现一个电势差U，当然电子也不会无限的向下方偏移，因为同性电子间具有排斥力，而当通电导体下方聚集的电子所产生反向排斥与洛仑磁力相等时，电子将不再发生偏移，U将基本保持不变。
永磁同步电机的相电流是一个交流信号，所以电流I的方向会发生周期性的反向变化，因此，霍尔效应所产生的电势差U，也会发生周期性的反向变化，电势差U的大小可以由公式(1)得出。
式中RH为霍尔效应，B磁场强度，b为沿着磁场方向导体的宽度，I为流过磁场的电流。
DSP的ADC引脚只能接受处理正的电压信号，而互感器感应输出的是交流信号，通过如图2的运算偏置电路把交流信号处理为完全的正电压信号，以便信号能成功通过ADC引脚输入DSP。传感器输出的信号直接连到运算偏置电路的输入端如图2的JP4-10。根据图2的电路可得：
参考电压VREF2＝0.4125V，R1＝36k，R0＝10k。所以由DSP的AD口采集到的电压可以推算出，电流传感器输出的电压为：
永磁同步电机的相电流信号经霍尔电流传感器检测输出，再经过偏置运算电路处理之后，信号中不可避免的存在着一些高频的干扰信号，为了减少高频信号的干扰，所以本实用新型通过一阶的低通RC滤波电路，对采集的信号进行硬件滤波处理，又由于DSP的ADC引脚输入电压一般在0～3.3V之间，因此为了使DSP的ADC引脚能够正常的工作，在本实用新型中还加入了电压钳位电路，避免电压过高而损坏DSP，具体电路如图3所示，其中UO为图2运算偏置电路的输出，而ADCINA3则为DSP的ADC采集A3端口。
根据公式(3)，再由采集转化得到的AD值可以推出永磁同步电机的相电流：
式中AD为DSP通过ADC口采集的模拟量转换成的数字量，又因为DSP的ADC口为12位的，所以式中的n为12。
在工程运用上，完善的保护措施是一个高效的硬件系统必不可少的部分。因此，本系统也设计了如图4所示的电流保护电路。根据引言所述，对于三路相电流，只需要检测其中的两路，于是电流保护电路只针对被检测的两路信号进行分析处理即可。图中UO和UO'是不同的两路相电流，经过电流传感器与运算偏置电路处理后输出的电压信号。紧接着，此电压信号通过串联一个1K的电阻，并联一个680PF的电流，构成了一阶的RC低通滤波电路，滤除高频的干扰信号。
滤波电路之后，是由LM239组成的电压比较器。当UO和UO'中任何一个小于Vref1或任何一个大于Vref，则比较器输出V为低电平，当UO和UO'都大于Vref1，并且又都同时小于Vref时，比较器输出V为高电平，具体输出情况如图5所示。
当比较器输出为高电平，即图4中的U41-26为高电平时，代表着相电流正常，电流故障信号没有被触发，一但比较器输出为低电平，图4中的U41-26立刻变为低电平，代表着相电流出现异常，电流故障信号随即触发，DSP和CPLD接收到电流故障信号后，将会通过软件封锁PWM驱动信号，关闭所有IGBT，图6给出的就是本设计的总电路图。
表1传感器输出电压间隔为0.1v时运放理论输出电压和实测电压
表2传感器输出电压间隔为0.05v时运放理论输出电压和实测电压
如表1和表2所示，表中的第一行是霍尔电流传感器的输出电压。传感器的相电流检测输出电压为关于实数原点对称的一组正负交变的信号，根据电路设计，这组数据通过运算偏置电路，将会变成一组严格为正的电压信号，表中的第二行是通过公式计算得出的运放偏置理论输出电压，第三行是实测值。为了更直观的反应运算偏置电路理论输出值和实际测量值关系，图7和图8分别以传感器的输出电压为横坐标，给出了表1和表2的这两项数据的散点图，由散点图可以看出，运算偏置电路的理论输出值和实测值几乎重合。
以上所述仅是对本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的范围内。
Claims (6)
1.一种永磁同步电机相电流检测电路，其特征在于，所述永磁同步电机相电流检测电路包括：
将交变的相电流转化为交变的电压信号的电压信号生成电路；
与电压信号生成电路相连接，通过运算偏置电路，将交变的电压信号变为正向的电压信号的正向电压信号生成电路；
与正向电压信号生成电路相连接，对信号进行低通滤波处理，通过钳位二极管接入DSP的ADC采集引脚实现信号采集的采集电路。
2.如权利要求1所述的永磁同步电机相电流检测电路，其特征在于，所述采集电路上还并联有电流保护电路，所述电流保护电路连接DSP处理器。
3.如权利要求2所述的永磁同步电机相电流检测电路，其特征在于，所述DSP处理器连接电压钳位电路。
4.如权利要求2所述的永磁同步电机相电流检测电路，其特征在于，所述电流保护电路设置有电流传感器，所述电流传感器的输入端连接UO和UO'两路电源，所述电流传感器的输出端与运算偏置电路电连接；
所述运算偏置电路通过串联电阻构成一阶的RC低通滤波电路。
5.如权利要求4所述的永磁同步电机相电流检测电路，其特征在于，所述RC低通滤波电路连接电压比较器。
6.如权利要求2所述的永磁同步电机相电流检测电路，其特征在于，所述DSP处理器连接CPLD可编程逻辑器，CPLD可编程逻辑器连接PWM驱动电路。
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