CN219777899U - 一种电机对地短路检测电路及电机驱动器 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种电机对地短路检测电路及电机驱动器，该电机对地短路检测电路中，其各相支路分别包括：采样电阻电路、隔离采样电路、调理电路及比较电路；各相支路中，先由采样电阻电路对电机的对应相电流进行采样，并据其生成采样电压，实现电流信号到电压信号的转换；然后通过隔离采样电路和调理电路对于电压信号的处理和传输，再由比较电路将其与自身内置的过流点阈值电压进行比较，可以实时监测电压信号是否超过过流点阈值电压，以确定是否过流；当电机对地短路引起过流时，无需复杂的计算过程，能够快速的实现检测。而且，可以与故障保护共用一套电流采样电路，节省硬件成本。

Description

一种电机对地短路检测电路及电机驱动器

技术领域

本申请涉及电力电子技术领域，特别涉及一种电机对地短路检测电路及电机驱动器。

背景技术

随着对电机驱动系统的高效率、高功率密度和高可靠性要求的不断提高，现多合一驱动控制器通常高度集成有：TM(TechnologicalMotor，工艺电动机)电机驱动器、EPS(Electric Power Steering，电动助力转向)油泵电机驱动器、ACM(Air Cycle Machine，空气循环机，也即空压机)气泵电机驱动器、DC/DC变换器、高压PDU(Power DistributionUnit，电源分配单元)等。对于大型载重汽车，液压助力转向系统与空压机气泵尤为重要。

现有电动汽车助力转向电机、气泵电机对地保护检测，通常采用三相电流不平衡法，其原理是根据三相电机的三相电流之和进行识别；正常电机运转时，该电机的三相电流之和应为零；而当电机发生相对机壳的对地短路时，由于漏电流的存在，将会导致三相电流之和不为零，进而可以识别。

但是该方案计算过程复杂，资源占用时间较长，从而不适用于实时性要求较高的电机驱动控制。

实用新型内容

有鉴于此，本申请提供一种电机对地短路检测电路及电机驱动器，以实现对于电机对地短路的快速检测。

为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

本申请第一方面提供了一种电机对地短路检测电路，其各相支路分别包括：采样电阻电路、隔离采样电路、调理电路及比较电路；其中，

所述采样电阻电路对电机的对应相电流进行采样；

所述隔离采样电路的输入端，接收所述采样电阻电路生成的采样电压；

所述隔离采样电路的输出端，与所述调理电路的输入端相连；

所述调理电路的输出端，与所述比较电路的输入端相连；

所述比较电路内置有与输入端所接收信号进行比较的过流点阈值电压；

所述比较电路的输出端，连接所述电机对地短路检测电路的输出端。

可选的，所述采样电阻电路、所述隔离采样电路及所述调理电路，为所述电机所接功率变换器的交流侧对应相电流采样电路。

可选的，所述比较电路，包括：第一比较器、第一电阻、第二电阻、第三电阻及第四电阻；其中，

所述第一电阻连接于所述比较电路的输入端与所述第一比较器的同向输入端之间；

所述第一比较器的反向输入端，依次通过所述第二电阻与所述第三电阻连接第一电源，并通过所述第四电阻接地，以接收所述过流点阈值电压。

可选的，所述比较电路，还包括：第二比较器、第五电阻及第一电容；其中，

所述第五电阻连接于所述比较电路的输入端与所述第二比较器的反向输入端之间；

所述第一电容连接于所述第二比较器的同向输入端与地之间。

可选的，所述采样电阻电路，包括：采样电阻和第二电容；

所述采样电阻的一端接收所述电机的对应相分流电流；

所述采样电阻与所述第二电容并联连接，并联后的两端连接所述隔离采样电路的输入端。

可选的，所述采样电阻电路中，所述采样电阻的数量为两个，且并联连接。

可选的，所述采样电阻电路，还包括：第三电容和第四电容；

所述第三电容的一端和所述第四电容的一端，分别与所述隔离采样电路的输入端一极相连；

所述第三电容的另一端和所述第四电容的另一端，接地。

可选的，所述隔离采样电路，为：隔离采样芯片。

可选的，所述调理电路，包括：运算放大器、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第五电容和第六电容；其中，

所述第六电阻连接于所述调理电路的输入端正极与所述运算放大器的同向输入端之间；

所述第七电阻连接于所述调理电路的输入端负极与所述运算放大器的反向输入端之间；

所述第八电阻与所述第五电容，并联连接于第二电源与所述运算放大器的同向输入端之间；

所述第六电容连接于所述运算放大器的同向输入端与反向输入端之间；

所述运算放大器的输出端与所述调理电路的输出端相连。

本申请第二方面提供一种电机驱动器，包括：控制器、功率变换器及如上述第一方面任一种所述的电机对地短路检测电路；其中，

所述功率变换器的输入端接收电源供电；

所述功率变换器的输出端，连接电机及所述电机对地短路检测电路；

所述功率变换器受控于所述控制器；

所述电机对地短路检测电路的输出端与所述控制器的对应输入端相连。

本申请提供的电机对地短路检测电路，其各相支路分别包括：采样电阻电路、隔离采样电路、调理电路及比较电路；各相支路中，先由采样电阻电路对电机的对应相电流进行采样，并据其生成采样电压，实现电流信号到电压信号的转换；然后通过隔离采样电路和调理电路对于电压信号的处理和传输，再由比较电路将其与自身内置的过流点阈值电压进行比较，可以实时监测电压信号是否超过过流点阈值电压，以确定是否过流；当电机对地短路引起过流时，无需复杂的计算过程，能够快速的实现检测。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的电机对地短路检测电路的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的电机对地短路检测电路中比较电路的一种电路图；

图3为本申请实施例提供的电机对地短路检测电路中比较电路的另一种电路图；

图4为本申请实施例提供的电机对地短路检测电路中采样电阻电路的一种电路图；

图5为本申请实施例提供的电机对地短路检测电路中调理电路的一种电路图；

图6为本申请实施例提供的电机对地短路检测电路的电路图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本申请中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本申请提供一种电机对地短路检测电路，以实现对于电机对地短路的快速检测。

如图1所示，该电机对地短路检测电路，包括三相支路，其各相支路分别包括：采样电阻电路101、隔离采样电路102、调理电路103及比较电路104；其中：

采样电阻电路101对电机的对应相电流(如图中所示的Iu、Iv或Iw)进行采样；由于电机的各相电流来源于其所接的功率变换器，比如逆变器，所以采样电阻电路101所采样的电流，也即该功率变流器所输出的对应相电流。

隔离采样电路102的输入端，接收采样电阻电路101生成的采样电压；隔离采样电路102的输出端，与调理电路103的输入端相连；调理电路103的输出端，与比较电路104的输入端相连；比较电路104内置有与输入端所接收信号进行比较的过流点阈值电压；比较电路104的输出端，连接该电机对地短路检测电路的输出端。该电机对地短路检测电路的输出端，输出的信号CURRENT_OVER_EPS，可以接入相应的DSP(Digital Signal Processing，信号处理器)，比如电机驱动器中控制器的DSP。

具体的工作原理为：

实际应用中，由于电机性能下降、温度过高或过压事件等，容易导致电机绕组和电机外壳之间发生绝缘击穿，进而引起相对地短路现象，此时需要进行过流检测。

本实施例所提供的各相支路中，先由采样电阻电路101对电机的对应相电流进行采样，并据其生成采样电压，实现电流信号到电压信号的转换；然后通过隔离采样电路102和调理电路103对于电压信号的处理和传输，再由比较电路104将其与自身内置的过流点阈值电压进行比较，可以实时监测电压信号是否超过过流点阈值电压，以确定是否过流，进而实现对于上述电机对地短路的检测功能；然后借助DSP中的软件，可以实现相应的短路保护，在功率变换器内功率管比如IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)的耐受时间范围内对其进行保护。

现有技术中所提供的三相电流不平衡法，采集到的三相电流还需算出三相电流的幅值和相位，该向量计算过程复杂，资源占用时间较长，从而不适用于实时性要求较高的电机驱动控制。而本实施例提供的该电机对地短路检测电路，当电机对地短路引起过流时，无需复杂的计算过程，能够通过上述原理，快速的实现检测。

在上一实施例的基础之上，本实施例对该电机对地短路检测电路的具体结构进行了示例说明，比如：

其比较电路104，如图2中所示，具体包括：第一比较器U1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3及第四电阻R4；其中，第一电阻R1连接于比较电路104的输入端与第一比较器U1的同向输入端之间；第一比较器U1的反向输入端，依次通过第二电阻R2与第三电阻R3连接第一电源，并通过第四电阻R4接地，以接收过流点阈值电压。该第一电源的电压可以是图中所示的+3.3V，但并不仅限于此。

通过图2所示结构，当比较电路104的输入端所接收的信号，大于该过流点阈值电压时，将会使该第一比较器U1的输出信号发生电平翻转，供DSP进行过流保护。

实际应用中，该比较电路104中，还可以进一步包括图3中所示的：第二比较器U2、第五电阻R5及第一电容C1；其中，第五电阻R5连接于比较电路104的输入端与第二比较器U2的反向输入端之间；第一电容C1连接于第二比较器U2的同向输入端与地之间。

通过图3所示结构，其在图2所示结构能够实现的功能基础之上，还增加了一个功能是：当比较电路104的输入端所接收的信号，小于第二比较器U2的同向输入端所接收信号时，将会使该第二比较器U2的输出信号发生电平翻转，同样可以供DSP进行相应保护。

实际应用中，各相支路中的比较电路104，均可以采用一个双通道的比较器芯片来实现，但并不仅限于此，视其具体应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。

对于采样电阻电路101，其可以如图4中所示，具体包括：采样电阻R0和第二电容C2；其中，采样电阻R0的一端接收电机的对应相分流电流；采样电阻R0与第二电容C2并联连接，并联后的两端连接隔离采样电路102的输入端。

实际应用中，该采样电阻电路101中，采样电阻R0的数量可以为图4中所示的两个，且两者并联连接。而且，各采样电阻R0的阻值可以均为mΩ级以下，比如，可以采用两个并联的2512封装_0.003Ω的采样电阻器件来实现，但并不仅限于此。

该第二电容C2能够实现对于隔离采样电路102的输入端两极电压之间的滤波和支撑；更进一步的，该采样电阻电路101中，还可以包括图4中所示的：第三电容C3和第四电容C4；第三电容C3的一端和第四电容C4的一端，分别与隔离采样电路102的输入端一极相连；第三电容C3的另一端和第四电容C4的另一端，接地；进而可以实现对于隔离采样电路102的输入端两极电压各自对地之间的滤波和支撑。

实际应用中，该隔离采样电路102，可以为：隔离采样芯片(如图6中所示的U3)，比如AMC1200，但并不仅限于此，实际应用中也可以采用独立的隔离光耦和相应的运算放大器进行搭建，视其具体应用环境而定即可。

对于调理电路103，其可以如图5中所示，具体包括：运算放大器U4、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第五电容C5和第六电容C6；其中，第六电阻R6连接于调理电路103的输入端正极与运算放大器U4的同向输入端之间；第七电阻R7连接于调理电路103的输入端负极与运算放大器U4的反向输入端之间；第八电阻R8与第五电容C5，并联连接于第二电源与运算放大器U4的同向输入端之间；第六电容C6连接于运算放大器U4的同向输入端与反向输入端之间；运算放大器U4的输出端与调理电路103的输出端相连。该第二电源的电压可以是图中所示的+1.65V，但并不仅限于此。

图6为该电机对地短路检测电路的一种电路结构展示，转向泵与打气泵的电机驱动器中均可以采用该电路进行电机对地短路检测，下面对其进行具体介绍：

采用高精度采样电阻(如图中所示的各个R0)，对电机所接功率变换器的三相输出电流进行电流采样。

电流信号经过该采样电阻转化为电压信号后，经过隔离采样芯片U3进行输出，该隔离采样芯片U3可以确保高压侧电压信号与低压侧电压信号之间的有效隔离，保证了低压侧型号不受高压侧信号干扰，其最高隔离电压，也即其两侧没有直接电气连接的系统所能承受的最高绝缘电压，可以达到4250V。

三相电流采样信号经各隔离采样芯片U3输出后，再通过对应相调理电路103中的第六电阻R6和第七电阻R7后，通过运算放大器U4调理后，输出至对应相的比较电路104进行电压比较。

各相比较电路104中的第一比较器U1和第二比较器U2，均为电压比较运放，其反向输入端采用LDO(Low Drop Out，低压降)稳压器提供的3.3V电源(也即上述第一电源)基准通过两电阻(也即R3和R2)分压后，与同向输入端所接收的信号电压幅值进行比较；三相电流采样中任意一项的采样输出值与基准电压的分压(也即上述过流点阈值电压)比较后，AD口可触发电平翻转信号供软件判断。

本实施例提供的该电机对地短路检测电路，主要通过相应的采样电阻器件，对功率变换器交流输出的三相电流值进行采样，并配备相关的隔离和信号调理电路，就可以通过上述原理快速的响应短路工况，在IGBT耐受时间范围内保护IGBT。

而且，本实施例中通过比较器和隔离光耦的组合方案，成本低，响应时间可以在3～5us之间，比IGBT对短路的耐受时间10us更低，响应速度更快。随着功率器件的发展革新，IGBT对短路的耐受时间即便短到5us时，本实施例的快速响应同样具有保护优势。

再者，本实施例可以利用隔离采样芯片U3参考阈值精度高(1％)、功耗低等优势；其低边侧供电电压范围是2.7～5V，高边侧供电范围是3～27V，而高边侧的宽输入电压范围使其供电方式更加灵活。

另外，本实施例通过上述原理实现过流保护时，其软件实现逻辑清晰简单，便于代码编程。

值得说明的是，现有技术中还存在一种检测方案是去饱和检测，其利用IGBT本身作为电流测量元件，监测IGBT集电极-发射级之间的压降。在发生短路时，IGBT的集电极电流上升到驱动IGBT退饱和区并进入线性工作区电平，导致集电极-发射级电压快速升高。其IGBT驱动器的目的主要是抓住IGBT的退饱和现象，从而进行保护，但它不能准确地检测到IGBT的饱和压降，这种检测容易导致驱动器误保护，且运行在转向泵中与打气泵中成本预算较高。

而本实施例提供的该电机对地短路检测电路，不会产生上述IGBT饱和压降检测不准确而带来的误保护，而且，其每一相只需要通过两个并联的采样电阻，匹配一个隔离采样、一个调理运放、一个比较器及若干阻容即可，也即，可以使用非常低的成本实现对于电流值的高精度采样和保护。

另外，现有技术中还存在一种检测方案是Y电容电压采样法，其原理是通过实时采集Y电容两端电压这一特征量进行检测，电机在发生相对机壳短路时，Y电容两端的电压会发生电压跳变，根据其两端的电压跳变幅值进行采集，并与设置好的电压阈值进行比较后作为判断的依据。但是，该方案需要额外的硬件采样电路，并且需要将高压滤波板集成到功率板中，增加了高压传导干扰的风险，并且还增加了电控的成本压力。

因此，本实施例提供另一种电机对地短路检测电路，在上述实施例的基础之上，其采样电阻电路101、隔离采样电路102及调理电路103，为电机所接功率变换器的交流侧对应相电流采样电路。

对于电流检测而言，由于电机所接的功率变换器比如逆变器，其桥臂和相位输出都需要分流电阻等器件，以便应付电机的直通故障和电机的绕组故障；所以，本实施例与故障保护共用一套电流采样电路，可以节省硬件成本；对于图6所示的电路结构而言，相当于仅增加了各相比较电路104，实际只需要3片双通道比较器芯片，即可借用三相电流采样电路采集的电流转电压信号，通过对增加的三相比较器设定好过流点阈值电压，实时监测过流时电压是否超过阈值。

此时，该电机对地短路检测电路，可以将功率变换器输出的三相电流通过采样电阻转化为电压信号，进行采样上传至电机驱动器的控制器，比如其MCU(MicrocontrollerUnit，微控制单元)，同时还可以对三相电流信号进行实时监测保护。具体的，三相电流信号经过采样电阻产生幅值在0mV至250mV区间的电压信号送入隔离采样电路102，隔离采样电路102对输入信号进行8倍率放大并由高压侧传输到低压侧，然后后级的调理电路103对差分输入信号进行处理，通过限幅滤波电路将三相电流信号采样模拟量信号上传至MCU的ADC口进行采样计算。同时，将电流信号转化好的电压信号对调理电路103输出信号进行实时检测保护，将故障状态上传至MCU。

还值得说明的是，现有技术中所提供的三相电流不平衡法，当系统的载频低时，无法对短路瞬间的短接电流进行有效的采集而造成系统的误判，因此该方案对故障阈值的选择有很大的挑战。而本实施例采用隔离采样方案对电流转化后的电压信号实时进行采集，可以对采集到的电压信号进行软件计算得出实际的电流数值，进行判断；电路稳定可靠，保护时间短，采样精度高，且不会出现误保护。

本申请另一实施例还提供了一种电机驱动器，参见图1，其包括：控制器(图中未展示)、功率变换器及如上述任一实施例所述的电机对地短路检测电路；其中，该功率变换器的输入端接收电源供电，当电源为直流电源时，该功率变换器即为逆变器；该功率变换器的输出端，连接电机及该电机对地短路检测电路；该功率变换器受控于控制器；该电机对地短路检测电路的输出端与控制器的对应输入端相连。

该电机对地短路检测电路的结构及工作原理，参见上述实施例即可，此处不再一一赘述。

本说明书中的各个实施例之间相同向似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本实用新型的范围。

对所公开的实施例的上述说明，本说明书中各实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种电机对地短路检测电路，其特征在于，其各相支路分别包括：采样电阻电路、隔离采样电路、调理电路及比较电路；其中，

所述采样电阻电路对电机的对应相电流进行采样；

所述隔离采样电路的输入端，接收所述采样电阻电路生成的采样电压；

所述隔离采样电路的输出端，与所述调理电路的输入端相连；

所述调理电路的输出端，与所述比较电路的输入端相连；

所述比较电路内置有与输入端所接收信号进行比较的过流点阈值电压；

所述比较电路的输出端，连接所述电机对地短路检测电路的输出端。

2.根据权利要求1所述的电机对地短路检测电路，其特征在于，所述采样电阻电路、所述隔离采样电路及所述调理电路，为所述电机所接功率变换器的交流侧对应相电流采样电路。

3.根据权利要求1所述的电机对地短路检测电路，其特征在于，所述比较电路，包括：第一比较器、第一电阻、第二电阻、第三电阻及第四电阻；其中，

所述第一电阻连接于所述比较电路的输入端与所述第一比较器的同向输入端之间；

所述第一比较器的反向输入端，依次通过所述第二电阻与所述第三电阻连接第一电源，并通过所述第四电阻接地，以接收所述过流点阈值电压。

4.根据权利要求3所述的电机对地短路检测电路，其特征在于，所述比较电路，还包括：第二比较器、第五电阻及第一电容；其中，

所述第五电阻连接于所述比较电路的输入端与所述第二比较器的反向输入端之间；

所述第一电容连接于所述第二比较器的同向输入端与地之间。

5.根据权利要求1至4任一项所述的电机对地短路检测电路，其特征在于，所述采样电阻电路，包括：采样电阻和第二电容；

所述采样电阻的一端接收所述电机的对应相分流电流；

所述采样电阻与所述第二电容并联连接，并联后的两端连接所述隔离采样电路的输入端。

6.根据权利要求5所述的电机对地短路检测电路，其特征在于，所述采样电阻电路中，所述采样电阻的数量为两个，且并联连接。

7.根据权利要求5所述的电机对地短路检测电路，其特征在于，所述采样电阻电路，还包括：第三电容和第四电容；

所述第三电容的一端和所述第四电容的一端，分别与所述隔离采样电路的输入端一极相连；

所述第三电容的另一端和所述第四电容的另一端，接地。

8.根据权利要求1至4任一项所述的电机对地短路检测电路，其特征在于，所述隔离采样电路，为：隔离采样芯片。

9.根据权利要求1至4任一项所述的电机对地短路检测电路，其特征在于，所述调理电路，包括：运算放大器、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第五电容和第六电容；其中，

所述第六电阻连接于所述调理电路的输入端正极与所述运算放大器的同向输入端之间；

所述第七电阻连接于所述调理电路的输入端负极与所述运算放大器的反向输入端之间；

所述第八电阻与所述第五电容，并联连接于第二电源与所述运算放大器的同向输入端之间；

所述第六电容连接于所述运算放大器的同向输入端与反向输入端之间；

所述运算放大器的输出端与所述调理电路的输出端相连。

10.一种电机驱动器，其特征在于，包括：控制器、功率变换器及如权利要求1至9任一项所述的电机对地短路检测电路；其中，

所述功率变换器的输入端接收电源供电；

所述功率变换器的输出端，连接电机及所述电机对地短路检测电路；

所述功率变换器受控于所述控制器；

所述电机对地短路检测电路的输出端与所述控制器的对应输入端相连。