交流變頻電機(jī)的機(jī)端電壓測(cè)量儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了交流變頻電機(jī)的機(jī)端電壓測(cè)量儀，旨在克服若采集直流母線電壓換算成機(jī)端電壓誤差較大和直接測(cè)量機(jī)端電壓，由于PWM方波特性，需要極高的數(shù)字采樣頻率和高速的數(shù)字信號(hào)處理，普通控制器無法實(shí)現(xiàn)的問題，該測(cè)量儀（5）包括有傳感器、采樣電阻、AD采樣模塊與FPGA。傳感器的輸入端與逆變器（2）的輸出端電線連接，傳感器的輸出端與采樣電阻的一端電線連接，采樣電阻的另一端與AD采樣模塊的信號(hào)輸入端電線連接，AD采樣模塊的信號(hào)輸出端與FPGA輸入端通過I/O口連接。測(cè)量儀的輸入口通過傳感器與逆變器（2）輸出端電線連接，測(cè)量儀的輸出口通過FPGA即現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列與電機(jī)控制器（4）的輸入端采用電線連接。
【專利說明】交流變頻電機(jī)的機(jī)端電壓測(cè)量儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種測(cè)量機(jī)構(gòu)，更確切地說，本發(fā)明涉及一種交流變頻電機(jī)的機(jī)端電壓測(cè)量儀。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，交流變頻電機(jī)在工業(yè)界得到了廣泛應(yīng)用。在交流變頻電機(jī)系統(tǒng)中，控制算法是決定系統(tǒng)性能的核心，而傳感器采集信號(hào)的準(zhǔn)確度將直接影響到控制算法的效果。由于交流變頻電機(jī)的端電壓為高頻高壓的PWM形式，目前無法實(shí)現(xiàn)傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量，所以，目前工業(yè)界一般使用電壓傳感器測(cè)量逆變器輸入端電壓(如圖1中Vdc所示)代替電機(jī)端電壓(如圖1中Vac所示)。由于這種測(cè)量方法無法精確考慮逆變器的電壓損失，所以測(cè)量的電壓誤差較大，如何精確獲得電機(jī)端電壓近年來受到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。
[0003]交流變頻電機(jī)端電壓的測(cè)量精度不但影響電機(jī)控制性能，而且對(duì)電機(jī)無位置傳感器技術(shù)的發(fā)展有著重要意義。所謂電機(jī)無位置傳感器技術(shù)就是利用電機(jī)的電壓、電流信息估計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息的一種方法。在可靠性要求不高的應(yīng)用場(chǎng)合，利用無位置傳感器技術(shù)可以節(jié)約成本，省去購買、安裝轉(zhuǎn)子位置傳感器的工作；在可靠性要求較高的場(chǎng)合，無位置傳感器技術(shù)可以作為位置傳感器的備份，在位置傳感器失效的情況下使系統(tǒng)正常工作。顯然，電機(jī)端電壓測(cè)量的精度就會(huì)影響到轉(zhuǎn)子位置估計(jì)的精度，事實(shí)上，無法得到準(zhǔn)確的端電壓正是影響無位置傳感器技術(shù)目前無法大面積推廣的一個(gè)重要因素。
[0004]經(jīng)文獻(xiàn)檢索和調(diào)研，端電壓測(cè)量精度對(duì)無位置傳感器技術(shù)性能的影響也是在近5年內(nèi)才被國外學(xué)者所重視，目前國內(nèi)外均無直接準(zhǔn)確測(cè)量交流變頻電機(jī)機(jī)端PWM電壓的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服了現(xiàn)有技術(shù)存在的若采集直流母線電壓，換算得到的端電壓無法精確考慮逆變器的壓降，誤差較大和若直接測(cè)量電機(jī)端電壓，由于PWM方波的特性，需要極高的數(shù)字采樣頻率和高速的數(shù)字信號(hào)處理，普通控制器無法實(shí)現(xiàn)的問題，提供了 一種交流變頻電機(jī)的機(jī)端電壓測(cè)量儀。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:所述的交流變頻電機(jī)的機(jī)端電壓測(cè)量儀包括有傳感器、采樣電阻、AD采樣模塊與FPGA。
[0007]傳感器的輸入端與逆變器的輸出端電線連接，傳感器的輸出端與米樣電阻的一端電纜連接，采樣電阻的另一端與AD采樣模塊的信號(hào)輸入端電線連接，AD采樣模塊的信號(hào)輸出端與FPGA輸入端通過I/O 口連接。
[0008]技術(shù)方案中所述的傳感器選用HV-C04系列的傳感器，采樣電阻選用型號(hào)為0201的貼片電阻，AD采樣模塊選用型號(hào)為AD574A的ADC芯片，F(xiàn)PGA即現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列；HV-C04系列傳感器的輸出端Vc與型號(hào)為0201的貼片電阻的一端電線連接，型號(hào)為0201的貼片電阻的另一端與型號(hào)為AD574A的ADC芯片的Vi腳電線連接，型號(hào)為AD574A的ADC芯片的R 口與D 口和FPGA的IN 口電線連接；型號(hào)為0201的貼片電阻、型號(hào)為AD574A的ADC芯片與FPGA是焊接在同一塊電路板上的。
[0009]技術(shù)方案中所述的傳感器選用LV25-P系列的傳感器，采樣電阻選用型號(hào)為0402的貼片電阻，AD采樣模塊選用型號(hào)為ADC0809的ADC芯片，F(xiàn)PGA即現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列；LV25-P系列傳感器的輸出端OUT與型號(hào)為0402的貼片電阻的一端電線連接，型號(hào)為0402的貼片電阻的另一端和型號(hào)為ADC0809的ADC芯片的INO腳與INl腳電線連接，型號(hào)為ADC0809的ADC芯片的DO 口與Dl 口和FPGA的IN 口電線連接；型號(hào)為0402的貼片電阻、型號(hào)為ADC0809的ADC芯片與FPGA是焊接在同一塊電路板上的。
[0010]技術(shù)方案中所述的交流變頻電機(jī)的機(jī)端電壓測(cè)量儀的輸入口通過傳感器與逆變器輸出端電線連接，交流變頻電機(jī)的機(jī)端電壓測(cè)量儀的輸出口通過FPGA即現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列與電機(jī)控制器的輸入端用電線連接。
[0011]與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的有益效果是:
[0012]1.參閱圖1，由于交流變頻電機(jī)的端電壓為高頻高壓的PWM形式，目前無法實(shí)現(xiàn)傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量，所以，目前工業(yè)界一般使用電壓傳感器測(cè)量逆變器輸入直流母線端電壓Vdc代替交流變頻電機(jī)端電壓Vac。參閱圖2，若測(cè)量逆變器輸入端的直流母線電壓，換算得到的交流變頻電機(jī)端電壓無法精確考慮逆變器的壓降，誤差較大。參閱圖3，本發(fā)明改進(jìn)了現(xiàn)有方案，在逆變器的輸出端增加了基于FPGA的高速AD采樣電壓測(cè)量儀，這樣可準(zhǔn)確測(cè)量出逆變器輸出端電壓(即交流變頻電機(jī)端電壓)，避免由于逆變器壓降導(dǎo)致的測(cè)量電壓誤差，從而提高電機(jī)的控制性能。
[0013]2.交流變頻電機(jī)的端電壓除了對(duì)交流變頻電機(jī)的控制性能有決定性的影響外，對(duì)交流變頻電機(jī)的一些應(yīng)用技術(shù)也有很大影響，例如在無位置傳感器中利用交流變頻電機(jī)端電壓來確定轉(zhuǎn)子位置，而交流變頻電機(jī)端電壓測(cè)量的精度影響到轉(zhuǎn)子位置估計(jì)的精度，這是無位置傳感器技術(shù)目前無法大面積推廣的一個(gè)重要因素，本發(fā)明提出的測(cè)量電機(jī)端電壓的方法得到了準(zhǔn)確的端電壓，有利于無位置傳感器技術(shù)的推廣。
[0014]3.由于交流變頻電機(jī)的端電壓為高頻高壓的PWM形式，一般頻率約為5-20KHZ，而決定該信號(hào)幅值的特性則為此高頻的方波信號(hào)一個(gè)周期內(nèi)高電平脈寬所占時(shí)間的比例。
[0015]如:交流變頻電機(jī)電壓PWM頻率為10kHz，即PWM周期為lOOus，若電壓采樣頻率高達(dá)1MHz，則其測(cè)量精度時(shí)間精度為lus，可見其測(cè)量誤差高達(dá)1%，而這樣高的采樣頻率將占用大量單片機(jī)的資源，實(shí)際應(yīng)用非常困難。
[0016]而本發(fā)明的基于FPGA的高速AD采樣電壓測(cè)量儀，采用高速ADC芯片，一個(gè)通道有l(wèi)Gb/s的采樣率，如果在一片ADC上集成兩路獨(dú)立的ADC具有8bit轉(zhuǎn)換精度，每個(gè)通道有l(wèi)Gb/s的采樣率，在交錯(cuò)模式下雙路ADC并行采樣可以達(dá)到2Gb/s的采樣率。同時(shí)選用內(nèi)部集成輸出緩沖器的ADC，可以降低出數(shù)據(jù)率，方便與多種類型的高速FPGA直接相連，實(shí)現(xiàn)高速率數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理。利用FPGA直接控制ADC芯片對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，然后將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)迅速存儲(chǔ)到FPGA內(nèi)部的存儲(chǔ)器中，數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳送獨(dú)立于單片機(jī)，降低了對(duì)單片機(jī)頻率的要求。FPGA軟件處理功能強(qiáng)大，除了利用其控制ADC芯片和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)之外，還可以對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)際占空比的計(jì)算、FFT (快速傅里葉變換)、濾波等方面處理，滿足各類復(fù)雜的電機(jī)控制算法需求。[0017]因此，本發(fā)明在實(shí)現(xiàn)電壓高速采樣的情況下，將大幅度降低交流變頻電機(jī)控制系統(tǒng)所需的采樣頻率，擺脫了采用DSP、單片機(jī)等微處理器進(jìn)行配置的傳統(tǒng)方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)交流變頻電機(jī)端電壓數(shù)據(jù)的獨(dú)立采集和處理，對(duì)高性能交流變頻電機(jī)控制具有重要意義。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明:
[0019]圖1是交流變頻電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成示意框圖；
[0020]圖2是傳統(tǒng)技術(shù)中交流變頻電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成示意框圖；
[0021]圖3是采用本發(fā)明所述的交流變頻電機(jī)的機(jī)端電壓測(cè)量儀的交流變頻電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成示意框圖；
[0022]圖4是本發(fā)明所述的交流變頻電機(jī)的機(jī)端電壓測(cè)量儀的結(jié)構(gòu)原理示意框圖；
[0023]圖中:1.直流電源，2.逆變器，3.交流變頻電機(jī)，4.電機(jī)控制器，5.交流變頻電機(jī)的機(jī)端電壓測(cè)量儀。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)的描述:
[0025]參閱圖2，圖中所示是傳統(tǒng)的交流變頻電機(jī)控制系統(tǒng)，包括直流電源1、逆變器2、交流變頻電機(jī)3與電機(jī)控制器4。直流電源I輸出端通過直流母線與逆變器2的輸入端相連，逆變器2的輸出端通過三相動(dòng)力線與電機(jī)3相連；
[0026]傳統(tǒng)的交流變頻電機(jī)控制系統(tǒng)是測(cè)量逆變器2的直流側(cè)電壓值Vdc，利用此電壓值Vdc計(jì)算交流變頻電機(jī)3的端電壓值Vac作為電機(jī)控制器4的電壓反饋信號(hào)。這種傳統(tǒng)方法計(jì)算得到的電機(jī)3的端電壓值Vac無法準(zhǔn)確考慮逆變器2的非線性效應(yīng)，從而造成反饋的電機(jī)端電壓值Vac誤差相對(duì)較大，不利于高性能電機(jī)控制。
[0027]參閱圖3，圖中是應(yīng)用本發(fā)明提供的電壓測(cè)量儀采集交流變頻電機(jī)3端電壓的交流變頻電機(jī)控制系統(tǒng)。應(yīng)用本發(fā)明所提供的電壓測(cè)量儀的交流變頻電機(jī)控制系統(tǒng)與上面所述的傳統(tǒng)的交流變頻電機(jī)控制系統(tǒng)相比，輸入給電機(jī)控制器4的交流變頻電機(jī)3的端電壓值Vac來源不同，后者是采用一種高精度的電壓測(cè)量儀5來測(cè)量逆變器2的輸出端電壓(SP交流變頻電機(jī)端電壓KtVac作為輸入給電機(jī)控制器4的電壓信號(hào)，這樣測(cè)量得到的測(cè)量逆變器2的輸出端電壓是所需的交流變頻電機(jī)端電壓值，消除了逆變器2的壓降誤差。
[0028]參閱圖4，本發(fā)明所提供的交流變頻電機(jī)的機(jī)端電壓測(cè)量儀5是包括傳感器、采樣電阻、AD采樣模塊、FPGA (現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列)。
[0029]傳感器的作用將逆變器2輸出高壓電信號(hào)轉(zhuǎn)化成低壓電信號(hào)，低壓電信號(hào)才能被AD米樣模塊使用。選擇傳感器時(shí)主要考慮被測(cè)電壓范圍，輸出信號(hào)。
[0030]AD采樣模塊是一個(gè)高速電壓采樣模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻高壓的PWM波的采集。采用的高速ADC芯片，一個(gè)通道需要有l(wèi)Gb/s以上的采樣率，如果在一片ADC上集成兩路獨(dú)立的ADC具有8bit轉(zhuǎn)換精度，每個(gè)通道有l(wèi)Gb/s的采樣率，在交錯(cuò)模式下雙路ADC并行采樣需要達(dá)到2Gb/s以上的采樣率。同時(shí)選用內(nèi)部集成輸出緩沖器的ADC，這樣可以降低輸出數(shù)據(jù)率，方便與多種類型的高速FPGA (現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列)直接相連。
[0031]FPGA (現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列)的作用是利用其控制ADC芯片和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)還可以對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)際占空比的計(jì)算、FFT (快速傅里葉變換)、濾波等方面處理。FPGA (現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列)軟件處理功能強(qiáng)大，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)AD模塊采集到的數(shù)據(jù)快速的處理和儲(chǔ)存。AD模塊的輸出和FPGA (現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列)的輸入均設(shè)計(jì)為LVDS (—種通用接口標(biāo)準(zhǔn))邏輯標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)AD模塊與FPGA (現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列)的無縫連接。
[0032]傳感器的輸入端與逆變器的輸出端使用電線相連，傳感器的輸出端與采樣電阻的一端使用電線相連，采樣電阻的另一端與AD模塊的信號(hào)輸入端口電線連接，AD模塊與FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列)通過I/O 口連接，采樣電阻、ADC芯片、FPGA焊接在同一塊電路板上。
[0033]實(shí)施方案一，HV-C04系列傳感器的輸出端Vc使用電線接米樣電阻(型號(hào)為0201的貼片電阻)一端，采樣電阻(型號(hào)為0201的貼片電阻)的另一端接美國AD公司的型號(hào)為AD574A的ADC芯片的Vi腳，型號(hào)為AD574A的ADC芯片的R和D 口接FPGA的IN 口上，其中采樣電阻(型號(hào)為0201的貼片電阻)、型號(hào)為AD574A的ADC芯片、FPGA是焊接在同一塊電路板上的，電壓測(cè)量儀的輸出口與接電機(jī)控制器4的輸入端用信號(hào)線連接。
[0034]實(shí)施方案二，LV25-P系列傳感器的輸出端OUT使用電線接采樣電阻(型號(hào)為0402的貼片電阻)的一端，米樣電阻(型號(hào)為0402的貼片電阻)的另一端接型號(hào)為ADC0809的ADC芯片的INO和INl腳，型號(hào)為ADC0809的ADC芯片的DO 口和Dl 口接FPGA (現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列)的IN 口上，其中采樣電阻(型號(hào)為0402的貼片電阻)、型號(hào)為ADC0809的ADC芯片、FPGA是焊接在同一塊電路板上的，電壓測(cè)量儀的輸出口與接電機(jī)控制器4的輸入端用信號(hào)線連接。
[0035]使用本發(fā)明所述的交流變頻電機(jī)的機(jī)端電壓測(cè)量儀的交流變頻電機(jī)控制系統(tǒng)的
工作原理:
[0036]直流電源I通過直流母線將直流電壓輸出給逆變器2，逆變器2對(duì)輸入的直流電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換得到的三相方波PWM電壓供交流變頻電機(jī)3工作。
[0037]電機(jī)控制器4采集交流變頻電機(jī)的機(jī)端電壓測(cè)量儀5測(cè)量到的交流變頻電機(jī)3的端電壓值Vac用于交流變頻電機(jī)3的控制(即與需求電壓作對(duì)比調(diào)節(jié)逆變器2的輸出電壓值或者進(jìn)行無位置傳感器轉(zhuǎn)子位置估計(jì)等工作中)，從而使交流變頻電機(jī)3達(dá)到需求工作狀態(tài)。
[0038]本發(fā)明所述的交流變頻電機(jī)的機(jī)端電壓測(cè)量儀的工作原理:
[0039]逆變器2輸出電壓通過交流變頻電機(jī)的機(jī)端電壓測(cè)量儀5中的傳感器轉(zhuǎn)化為低壓電信號(hào)，然后利用FPGA (現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列)控制ADC芯片高速采集通過采樣電阻的傳感器信號(hào)，ADC芯片采樣后的數(shù)據(jù)傳給FPGA (現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列)，F(xiàn)PGA (現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)做信號(hào)處理，即采樣階段和數(shù)據(jù)讀取階段，采樣階段FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列)控制ADC芯片對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，然后將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)迅速存儲(chǔ)到FPGA (現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列)內(nèi)部的存儲(chǔ)器中；數(shù)據(jù)讀取階段，F(xiàn)PGA (現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列)調(diào)用存儲(chǔ)器中的高速采樣數(shù)據(jù)并對(duì)高速采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行所需的信號(hào)處理(如:占空比計(jì)算、FFT (快速傅里葉變換)、濾波等)，相關(guān)處理結(jié)果存儲(chǔ)在FPGA (現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列)的存儲(chǔ)器中供電機(jī)控制器取用。FPGA (現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理后，將數(shù)據(jù)傳給電機(jī)控制器4，電機(jī)控制器4利用此值進(jìn)行交流變頻電機(jī)的控制。
【權(quán)利要求】
1.一種交流變頻電機(jī)的機(jī)端電壓測(cè)量儀，其特征在于，所述的交流變頻電機(jī)的機(jī)端電壓測(cè)量儀(5)包括有傳感器、采樣電阻、AD采樣模塊與FPGA ； 傳感器的輸入端與逆變器(2 )的輸出端電線連接,傳感器的輸出端與米樣電阻的一端電纜連接，采樣電阻的另一端與AD采樣模塊的信號(hào)輸入端電線連接，AD采樣模塊的信號(hào)輸出端與FPGA輸入端通過I/O 口連接。
2.按照權(quán)利要求1所述的交流變頻電機(jī)的機(jī)端電壓測(cè)量儀，其特征在于，所述的傳感器選用HV-C04系列的傳感器，采樣電阻選用型號(hào)為0201的貼片電阻，AD采樣模塊選用型號(hào)為AD574A的ADC芯片，F(xiàn)PGA即現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列； HV-CO4系列傳感器的輸出端Vc與型號(hào)為0201的貼片電阻的一端電線連接，型號(hào)為0201的貼片電阻的另一端與型號(hào)為AD574A的ADC芯片的Vi腳電線連接，型號(hào)為AD574A的ADC芯片的R 口與D 口和FPGA的IN 口電線連接；型號(hào)為0201的貼片電阻、型號(hào)為AD574A的ADC芯片與FPGA是焊接在同一塊電路板上的。
3.按照權(quán)利要求1所述的交流變頻電機(jī)的機(jī)端電壓測(cè)量儀，其特征在于，所述的傳感器選用LV25-P系列的傳感器，采樣電阻選用型號(hào)為0402的貼片電阻，AD采樣模塊選用型號(hào)為ADC0809的ADC芯片，F(xiàn)PGA即現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列； LV25-P系列傳感器的輸出端OUT與型號(hào)為0402的貼片電阻的一端電線連接，型號(hào)為0402的貼片電阻的另一端和型號(hào)為ADC0809的ADC芯片的INO腳與INl腳電線連接，型號(hào)為ADC0809的ADC芯片的DO 口與Dl 口和FPGA的IN 口電線連接；型號(hào)為0402的貼片電阻、型號(hào)為ADC0809的ADC芯片與FPGA是焊接在同一塊電路板上的。
4.按照權(quán)利要求1所述的交流變頻電機(jī)的機(jī)端電壓測(cè)量儀，其特征在于，所述的交流變頻電機(jī)的機(jī)端電壓測(cè)量儀的輸入口通過傳感器與逆變器(2)輸出端電線連接，交流變頻電機(jī)的機(jī)端電壓測(cè)量儀的輸出口通過FPGA即現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列與電機(jī)控制器(4)的輸入端用電線連接。
【文檔編號(hào)】G01R19/25GK103713186SQ201310728477
【公開日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2013年12月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月25日
【發(fā)明者】袁新枚, 王闖, 陳宏羽, 刁慶華, 紀(jì)淑玲, 張建, 陳浩 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)