CN211905485U - 电动机电流测量电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种电动机电流测量电路，包括第一晶体管组和第二晶体管组，所述第一晶体管组连接于电源输入端和待测量电动机之间，所述第二晶体管组连接于所述待测量电动机和接地端之间，所述第一晶体管组与所述待测量电动机之间设置有至少一霍尔电流传感器，所述第二晶体管组与所述接地端之间设置有一分流电阻。通过采用本实用新型的电流测量电路，电流采样时间不再限制电动机的占空比，并且不会带来成本的增加。
Description
技术领域
本实用新型涉及电动机监测技术领域，具体涉及一种电动机电流测量电路。
背景技术
现有的电动机的电流测量电路往往采用两个分流电阻，通过两个分流电阻分别基于欧姆定律来测量电动机电流，并且将两个分流电阻的测量结果进行比较，以实现准确性校验。然而，采用分流电阻将产生很高的热量和很大的压降，尤其是当电动机输出大扭矩的时候，这个问题尤为突出。因此，电流测量电路会消耗更多的功率，并且需要进一步增强散热能力。而两个分流电阻由于具有相同的特性，可能会基于同样的原因同时失效。
现有的电流测量电路在应用于直流电动机时，主要有如图1和图3两种结构。如图1所示，在第一种电流测量电路中，该电流测量电路包括四个晶体管M111、M112、M113和M114、两个分流电阻R101和R102以及分别与两个分流电阻R101和R102并联设置的两个电流检测放大器 A101和A102，两个分流电阻R101和R102分布于电动机M1的供电桥的低电压侧。即电源输入端Vbat依次通过晶体管M111和M112连接于分流电阻R101的第一端，电源输入端Vbat还依次通过晶体管M113和M114 连接于分流电阻R102的第一端，两个分流电阻R101和R102的第二端分别接地。如图2所示，在该实施例中，对电流进行采样时电流的走向如图中I虚线箭头所示的方向。电流采样点需要设置于电机续流期间，此时电流可以同时流过两个分流电阻R101和R102。进一步地，在采样之前，还需要有充足的时间延迟来保证电流是稳定的，因此，PWM(Pulse width modulation，脉冲宽度调制)的占空比被限制在大约90％，限制了占空比的提高。
如图3所示，在第二种电流测量电路中，该电流测量电路包括四个晶体管M111、M112、M113和M114、两个分流电阻R101和R102以及分别与两个分流电阻R101和R102并联设置的两个电流检测放大器A101 和A102，两个分流电阻R101和R102与电动机M1串联。即电源输入端 Vbat依次经过晶体管M111和分流电阻R101之后与电动机M1的第一端相连接，电源输入端Vbat依次经过晶体管M113和分流电阻R102之后与电动机M1的第二端相连接。如图4所示，在该实施例中，对电流进行采样时电流的走向如图中I虚线箭头所示的方向。电流采样点一般设置在驱动的过程中。在电流采样点，分流电阻R101和R102的一侧电压上升至电池电压，一般12V，最大36V，因此，用于放大分流电阻R101和R102 两侧的电压差的放大器A101和A102需要能够承受很大的共模输入电压，从而带来了成本的增加。
现有的电流测量电路在应用于直流电动机时，主要有如图5和图6两种结构。在图5中，电动机M2的驱动电路共包括六个晶体管M121～M126、三个分流电阻R101、R102、R103和三个放大器A101、A102、A103。其中，电流采样时电流流向如I箭头方向所示。电流采样点需要设置于电机续流期间，此时电流可以同时流过三个分流电阻R101、R102和R103。进一步地，在采样之前，还需要有充足的时间延迟来保证电流是稳定的，因此，PWM(Pulse widthmodulation，脉冲宽度调制)的占空比被限制在大约90％，限制了占空比的提高。
在图6中，电动机M2的驱动电路共包括六个晶体管M121～M126、两个分流电阻R101、R102和两个放大器A101、A102。其中，电流采样时电流流向如I箭头方向所示。电流采样点一般设置在驱动的过程中。在电流采样点，分流电阻R101和R102的一侧电压上升至电池电压，一般 12V，最大36V，因此，用于放大分流电阻R101和R102两侧的电压差的放大器A101和A102需要能够承受很大的共模输入电压，从而带来了成本的增加。
实用新型内容
针对现有技术中的问题，本实用新型的目的在于提供一种电动机电流测量电路，电流采样时间不再限制电动机的占空比，并且不会带来成本的增加。
本实用新型实施例提供一种电动机电流测量电路，包括第一晶体管组和第二晶体管组，所述第一晶体管组连接于电源输入端和待测量电动机之间，所述第二晶体管组连接于所述待测量电动机和接地端之间，所述第一晶体管组与所述待测量电动机之间设置有至少一霍尔电流传感器，所述第二晶体管组与所述接地端之间设置有一分流电阻。
可选地，所述待测量电动机为直流电动机，所述第一晶体管组包括两个晶体管：第一晶体管和第三晶体管，所述第二晶体管组包括两个晶体管：第二晶体管和第四晶体管，所述第一晶体管的第一端连接于所述电源输入端，所述第一晶体管的第二端连接于所述第二晶体管的第一端，且所述第一晶体管的第二端通过一所述霍尔电流传感器连接于所述直流电动机的第一端，所述第二晶体管的第二端连接于所述分流电阻的第一端；
所述第三晶体管的第一端连接于所述电源输入端，所述第三晶体管的第二端分别连接于所述第四晶体管的第一端和所述直流电动机的第二端，所述第四晶体管的第二端连接于一所述分流电阻的第一端，所述分流电阻的第二端接地。
可选地，所述待测量电动机为交流电动机，所述第一晶体管组包括三个晶体管：第五晶体管、第七晶体管和第九晶体管，所述第二晶体管组包括三个晶体管：第六晶体管、第八晶体管和第十晶体管；
所述电源输入端依次经过所述第五晶体管和第一霍尔电流传感器连接至所述交流电动机的第一端，所述电源输入端依次经过第七晶体管和第二霍尔电流传感器连接至所述交流电动机的第二端，所述电源输入端依次经过第九晶体管和第三霍尔电流传感器连接至所述交流电动机的第三端；
所述电源输入端依次经过所述第五晶体管和第六晶体管连接至所述分流电阻的第一端，所述电源输入端依次经过所述第七晶体管和第八晶体管连接至所述分流电阻的第一端，所述电源输入端依次经过第九晶体管和第十晶体管连接至所述分流电阻的第一端，所述分流电阻的第二端连接于所述接地端。
可选地，各个所述晶体管为MOS管。
可选地，所述电路还包括第一电流检测放大器，所述第一电流检测放大器与所述分流电阻并联。
可选地，所述电路还包括第二电流检测放大器，所述第二电流检测放大器与所述霍尔电流传感器并联。
可选地，所述分流电阻的电阻值为0.5-1.0毫欧姆。
可选地，所述霍尔电流传感器的电阻值为0.2±0.05毫欧姆。
可选地，所述待测量电动机为用于电动助力转向系统的电动机。
本实用新型所提供的电动机电流测量电路具有如下优点：
本实用新型分别采用一个设置于电动机供电桥中低电压侧的分流电阻和与电动机连接的霍尔电流传感器来测量电动机的电流，并且可以相互比较以对电流测量结果进行校验，该种结构无需更换具有更大共模输入电压承受能力的放大器，因此不会造成成本的增加，并且电流采样时间也不会限制电动机的占空比，适用于大范围推广应用。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
图1是现有技术中第一种电动机电流测量电路的示意图；
图2是图1中电路进行电流采样时电流的流向示意图；
图3是现有技术中第二种电动机电流测量电路的示意图；
图4是图3中电路进行电流采样时电流的流向示意图；
图5是现有技术中第三种电动机电流测量电路的示意图；
图6是现有技术中第四种电动机电流测量电路的示意图；
图7是本实用新型第一实施例的电动机电流测量电路的示意图；
图8是图7中电路进行电流采样时电流的流向示意图；
图9是本实用新型第二实施例的电动机电流测量电路的示意图；
图10是图9中电路进行电流采样时电流的流向示意图；
图11是本实用新型第三实施例的电动机电流测量电路的示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本实用新型将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。
为了解决现有技术中的技术问题，本实用新型提供了一种电动机电流测量电路，包括第一晶体管组和第二晶体管组，所述第一晶体管组连接于电源输入端和待测量电动机之间，所述第二晶体管组连接于接地端和所述待测量电动机之间，所述第一晶体管组与所述待测量电动机之间设置有至少一霍尔电流传感器，所述第二晶体管组与所述接地端之间设置有一分流电阻。因此，本实用新型分别采用一个设置于电动机供电桥中低电压侧的分流电阻和与电动机连接的霍尔电流传感器来测量电动机的电流，并且可以相互比较以对电流测量结果进行校验，该种结构无需更换具有更大共模输入电压承受能力的放大器，因此不会造成成本的增加，并且电流采样时间也不会限制电动机的占空比。
如图7所示，在本实用新型第一实施例中，待测量电动机为直流电动机M1，所述电路包括四个晶体管、霍尔电流传感器H和分流电阻R，所述四个晶体管包括第一晶体管M11、第二晶体管M12、第三晶体管M13 和第四晶体管M14。其中，第一晶体管M11和第三晶体管M13为第一晶体管组，第二晶体管M12和第四晶体管M14为第二晶体管组。所述分流电阻R设置于待测量电动机M1的供电桥的低电压侧，而霍尔电流传感器 H与待测量电动机M1串联设置。具体地，所述第一晶体管M11的第一端连接于电源输入端Vbat，所述第一晶体管M11的第二端连接于所述第二晶体管M12的第一端，且所述第一晶体管M11的第二端通过所述霍尔电流传感器H连接于待测量电动机M1的第一端，所述第二晶体管M12 的第二端连接于所述分流电阻R的第一端。所述第三晶体管M13的第一端连接于所述电源输入端Vbat，所述第三晶体管M13的第二端分别连接于所述第四晶体管M14的第一端和所述待测量电动机M1的第二端，所述第四晶体管M14的第二端连接于所述分流电阻R的第一端，所述分流电阻R的第二端接地。
在采用该直流电动机电流测量电路对电动机进行电流测量时，同时采用分流电阻R和霍尔电流传感器H进行电流测量，读取分流电阻R两端的电压差，根据分流电阻R的电阻值可以得到通过分流电阻R的电流值，从霍尔电流传感器H可以读取到输出电压，根据其输出电压可以计算得到霍尔电流传感器H测量的电流值。通过比较分流电阻R测量得到的电流值和霍尔电流传感器H测量的电流值可以实现电流测量的相互校验。
在该实施例中，所述四个晶体管分别为MOS(Metal Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体)晶体管，并且进一步地可以选择为 NMOS晶体管。对应地，各个所述晶体管的第一端为该晶体管的漏极，各个所述晶体管的第二端为该晶体管的源极。即如图8所示，第一晶体管 M11的漏极与所述电源输入端Vbat相连接，第一晶体管M11的源极分别与霍尔电流传感器H的第一端以及第二晶体管M12的漏极相连接，第二晶体管M12的源极与分流电阻R的第一端相连接，第三晶体管M13的漏极与所述电源输入端Vbat相连接，第三晶体管M13的源极分别与待测量电动机的第二端以及第四晶体管M14的漏极相连接，第四晶体管M14的源极与所述分流电阻R的第一端相连接。在其他可替代的实施方式中，晶体管也可以采用其他类型的开关管，例如三极管等，或者晶体管也可以采用PMOS管，将漏极和源极方向对应更换即可，均属于本实用新型的保护范围之内。
在该实施例中，所述电路还包括电流检测放大器A1，所述电流检测放大器A1与所述分流电阻R并联。电流检测放大器是通过测量电流通道上分流电阻的压降来检测电流的放大器，电流检测放大器可以输出与被测电流成正比的电压或电流。
如图8所示，为该实施例的直流电动机电流测量电路中电流采样时电流的流向示意图。其中，电流采样时，电流的流向如图中示出的I虚线箭头方向。分流电阻R的两端电压分别为Up和Un，因此分流电阻R满足公式：Up-Un＝I1*R1，该公式中，I1即为流过分流电阻R的电流值，R1即为分流电阻R的电阻值。分流电阻R消耗的功率Q1满足：Q1＝I1 2*R1*t。霍尔电流传感器H的输出电压为Uo，其满足公式：Uo＝I2*Gain，该公式中，I2即为流过霍尔电流传感器H的电流，Gain为霍尔电流传感器的增益。霍尔电流传感器H消耗的功率Q2满足：Q2＝I2 2*R2*t，其中R2即为霍尔电流传感器的电阻值。
在该实施例中，所述霍尔电流传感器H的电阻值为0.2±0.05毫欧姆。因此，霍尔电流传感器的电阻值很小，从而可以在降低产生的热量和降低压降的同时提供相同的甚至更好的精度、带宽等。在该实施例中，所述分流电阻R一般采用电阻值较小的电阻，例如选择其电阻值为0.5-1.0毫欧姆，但本实用新型不限于此，采用其他电阻值的分流电阻也可以应用于该电流测量电路中，均属于本实用新型的保护范围之内。
霍尔电流传感器H的输出电压信号独立于流过其中的大电流，因此，无需具有更大共模输入电压承受能力的放大器，也就不会造成成本的增加。电流采样点设置在电动机的驱动周期而非自由转动周期，因此电流采样时间也不会限制电动机的占空比。
在该实施例中，所述待测量电动机M1为有刷直流电动机。进一步地，所述待测量电动机M1可以为用于电动助力转向系统(EPS，Electric Power Steering)的直流电动机。通过采用该种直流电动机电流测量电路，可以准确测量电动机的电流参数，并且不会造成成本的增加，电流采样时间也不会限制电动机的占空比。在其他可替代的实施例中，所述待测量电动机 M1也可以为其他类型的电动机，例如无刷直流电动机等，也可以应用于其他的应用场景，而不限于电动助力转向系统中的电动机。
如图9和图10所示，为本实用新型第二实施例的电动机电流测量电路的示意图。该实施例与第一实施例的区别在于：待测量电动机为交流电动机M2。其中，所述电路中，所述第一晶体管组包括三个晶体管：第五晶体管M21、第七晶体管M23和第九晶体管M25，所述第二晶体管组包括三个晶体管：第六晶体管M22、第八晶体管M24和第十晶体管M26。
所述电源输入端Vbat依次经过所述第五晶体管M21和第一霍尔电流传感器H1连接至所述交流电动机M2的第一端，所述电源输入端Vbat 依次经过第七晶体管M22和第二霍尔电流传感器H2连接至所述交流电动机M2的第二端，所述电源输入端Vbat依次经过第九晶体管M25和第三霍尔电流传感器H3连接至所述交流电动机M2的第三端。
所述电源输入端Vbat依次经过所述第五晶体管M21和第六晶体管 M22连接至所述分流电阻R的第一端，所述电源输入端Vbat依次经过所述第七晶体管M23和第八晶体管M24连接至所述分流电阻R的第一端，所述电源输入端Vbat依次经过第九晶体管M25和第十晶体管M26连接至所述分流电阻R的第一端，所述分流电阻R的第二端连接于所述接地端。进一步地，在该实施例中，在分流电阻R处设置有并联的电流检测放大器A1。
在该实施例中，所述四个晶体管分别为MOS(Metal Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体)晶体管，并且进一步地可以选择为 NMOS晶体管。对应地，各个所述晶体管的第一端为该晶体管的漏极，各个所述晶体管的第二端为该晶体管的源极。在其他可替代的实施方式中，晶体管也可以采用其他类型的开关管，例如三极管等，或者晶体管也可以采用PMOS管，将漏极和源极方向对应更换即可，均属于本实用新型的保护范围之内。
在该实施例中，所述第一霍尔电流传感器H1、第二霍尔电流传感器 H2和第三霍尔电流传感器H3的电阻值分别为0.2±0.05毫欧姆。因此，霍尔电流传感器的电阻值很小，从而可以在降低产生的热量和降低压降的同时提供相同的甚至更好的精度、带宽等。在该实施例中，所述分流电阻 R一般采用电阻值较小的电阻，例如选择其电阻值为0.5-1.0毫欧姆，但本实用新型不限于此，采用其他电阻值的分流电阻也可以应用于该电流测量电路中，均属于本实用新型的保护范围之内。
霍尔电流传感器H1、H2和H3的输出电压信号独立于流过其中的大电流，因此，无需具有更大共模输入电压承受能力的放大器，也就不会造成成本的增加。电流采样点设置在电动机的驱动周期而非自由转动周期，因此电流采样时间也不会限制电动机的占空比。
如图11所示，为本实用新型第三实施例的电动机电流测量电路的示意图。该实施例与第二实施例的区别在于：还包括第二放大器A21、A22、 A23。第二放大器A21、A22和A23分别与第一霍尔电流传感器A21、第二霍尔电流传感器A22和第三霍尔电流传感器A23并联设置。霍尔电流传感器H1、H2和H3的输出电压信号独立于流过其中的大电流，因此，无需具有更大共模输入电压承受能力的放大器，也就不会造成成本的增加。
综上所述，与现有技术相比，本实用新型分别采用一个设置于电动机供电桥中低电压侧的分流电阻和与电动机连接的霍尔电流传感器来测量电动机的电流，并且可以相互比较以对电流测量结果进行校验，该种结构无需更换具有更大共模输入电压承受能力的放大器，因此不会造成成本的增加，并且电流采样时间也不会限制电动机的占空比，适用于大范围推广应用。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。
Claims (9)
1.一种电动机电流测量电路，其特征在于，包括第一晶体管组和第二晶体管组，所述第一晶体管组连接于电源输入端(Vbat)和待测量电动机之间，所述第二晶体管组连接于所述待测量电动机和接地端之间，所述第一晶体管组与所述待测量电动机之间设置有至少一霍尔电流传感器，所述第二晶体管组与所述接地端之间设置有一分流电阻(R)。
2.根据权利要求1所述的电动机电流测量电路，其特征在于，所述待测量电动机为直流电动机(M1)，所述第一晶体管组包括两个晶体管：第一晶体管(M11)和第三晶体管(M13)，所述第二晶体管组包括两个晶体管：第二晶体管(M12)和第四晶体管(M14)，所述第一晶体管(M11)的第一端连接于所述电源输入端(Vbat)，所述第一晶体管(M11)的第二端连接于所述第二晶体管(M12)的第一端，且所述第一晶体管(M11)的第二端通过一所述霍尔电流传感器(H)连接于所述直流电动机(M1)的第一端，所述第二晶体管(M12)的第二端连接于所述分流电阻(R)的第一端；
所述第三晶体管(M13)的第一端连接于所述电源输入端(Vbat)，所述第三晶体管(M13)的第二端分别连接于所述第四晶体管(M14)的第一端和所述直流电动机(M1)的第二端，所述第四晶体管(M14)的第二端连接于一所述分流电阻(R)的第一端，所述分流电阻(R)的第二端接地。
3.根据权利要求1所述的电动机电流测量电路，其特征在于，所述待测量电动机为交流电动机(M2)，所述第一晶体管组包括三个晶体管：第五晶体管(M21)、第七晶体管(M23)和第九晶体管(M25)，所述第二晶体管组包括三个晶体管：第六晶体管(M22)、第八晶体管(M24)和第十晶体管(M26)；
所述电源输入端(Vbat)依次经过所述第五晶体管(M21)和第一霍尔电流传感器(H1)连接至所述交流电动机(M2)的第一端，所述电源输入端(Vbat)依次经过所述第七晶体管(M23)和第二霍尔电流传感器(H2)连接至所述交流电动机(M2)的第二端，所述电源输入端(Vbat) 依次经过第九晶体管(M25)和第三霍尔电流传感器(H3)连接至所述交流电动机(M2)的第三端；
所述电源输入端(Vbat)依次经过所述第五晶体管(M21)和第六晶体管(M22)连接至所述分流电阻(R)的第一端，所述电源输入端(Vbat)依次经过所述第七晶体管(M23)和第八晶体管(M24)连接至所述分流电阻(R)的第一端，所述电源输入端(Vbat)依次经过第九晶体管(M25)和第十晶体管(M26)连接至所述分流电阻(R)的第一端，所述分流电阻(R)的第二端连接于所述接地端。
4.根据权利要求2或3所述的电动机电流测量电路，其特征在于，各个所述晶体管为MOS管。
5.根据权利要求1所述的电动机电流测量电路，其特征在于，所述电路还包括第一电流检测放大器(A1)，所述第一电流检测放大器(A1)与所述分流电阻(R)并联。
6.根据权利要求1所述的电动机电流测量电路，其特征在于，所述电路还包括第二电流检测放大器，所述第二电流检测放大器与所述霍尔电流传感器并联。
7.根据权利要求1所述的电动机电流测量电路，其特征在于，所述分流电阻(R)的电阻值为0.5-1.0毫欧姆。
8.根据权利要求1所述的电动机电流测量电路，其特征在于，所述霍尔电流传感器的电阻值为0.2±0.05毫欧姆。
9.根据权利要求1所述的电动机电流测量电路，其特征在于，所述待测量电动机为用于电动助力转向系统的电动机。
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| CN112666461A (zh) * | 2021-03-17 | 2021-04-16 | 臻驱科技（上海）有限公司 | 逆变器直流侧的电流估算方法、电机控制器、电流检测装置及电动汽车 |
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |