專(zhuān)利名稱(chēng)：一種用于電機(jī)控制的快速電流傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳感器，用來(lái)簡(jiǎn)化電機(jī)控制電路。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及的是簡(jiǎn)化電流傳感器電路裝置和提高電機(jī)響應(yīng)速度的途徑，開(kāi)關(guān)頻率從現(xiàn)在的20KHz提高至數(shù)倍至數(shù)十倍，或者說(shuō)開(kāi)關(guān)頻率實(shí)際上不再受電流傳感器的限制。
背景技術(shù)：
在涉及到電機(jī)控制系統(tǒng)性能方面總離不開(kāi)一個(gè)課題，即如何準(zhǔn)確及時(shí)地得到電機(jī)相電流信息，不幸的是，這些相電流信號(hào)是由高電壓的開(kāi)關(guān)電源而生成。這個(gè)電源電壓太高，以致于數(shù)字控制單元不能直接處理電流信號(hào)，否則會(huì)損壞電路。因此有些特別的電流傳感器就被開(kāi)發(fā)出來(lái)，這些傳感器能把高電壓處電流信息傳遞到低電壓處的數(shù)字信號(hào)處理器(簡(jiǎn)稱(chēng)為DSP)或微控制器(簡(jiǎn)稱(chēng)為MC)中，同時(shí)把高壓開(kāi)關(guān)電源和DSP/MC所依賴(lài)的低壓直流電源隔離開(kāi)來(lái)。
已開(kāi)發(fā)出來(lái)的電路可以典型地分成幾個(gè)功能塊，如圖1所示。該圖只顯示了通常是多相中的一相。高壓電源由Vbus+和Vbus-所構(gòu)成，開(kāi)關(guān)元件1和2由電機(jī)控制算法來(lái)決定何時(shí)通還是斷。但它們?cè)谌魏螘r(shí)刻不能同時(shí)導(dǎo)通，從開(kāi)關(guān)元件1和2來(lái)的電流經(jīng)分流電阻4流到電機(jī)3。
由一個(gè)(隨開(kāi)關(guān))浮動(dòng)的正電源5供電的信號(hào)調(diào)整器7直接連到分流電阻4，測(cè)量單元8測(cè)量7的信號(hào)輸出。因測(cè)量單元仍在高電壓一側(cè)，在低電壓電源一側(cè)的電機(jī)控制單元10不能直接接收8的輸出。
為解決上述問(wèn)題，引進(jìn)了信號(hào)隔離器9，也稱(chēng)它作信號(hào)傳送器9，因?yàn)閷?shí)際上它同時(shí)做隔離和傳送信號(hào)這兩件事。在信號(hào)傳送器9之后，從9輸出的電壓或數(shù)據(jù)可以被數(shù)字處理單元10接受了，這種系統(tǒng)的缺點(diǎn)是比較復(fù)雜和速度慢。
一個(gè)現(xiàn)有的例子就是IR2277S/IR2177S芯片電路，信號(hào)測(cè)量是在芯片內(nèi)的高電壓一側(cè)進(jìn)行的，其輸出就是代表流經(jīng)分流電阻的電流大小，低壓的脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)。這種方案的缺點(diǎn)之一就是工作頻率低，不超過(guò)20KHz；另一個(gè)缺點(diǎn)是需要額外的外部控制單元來(lái)的同步信號(hào)(Sync，低于開(kāi)關(guān)頻率20KHz)。當(dāng)分流電阻上的電流改變到新值，這個(gè)電路需要兩個(gè)同步周期才能使新輸出穩(wěn)定下來(lái)。用這種方法進(jìn)行信號(hào)傳遞的時(shí)間波形圖顯示在圖2。其中參數(shù)為
Vmax輸入達(dá)到飽和前的最高輸入電壓(約+250mV)；Vmin輸入達(dá)到飽和前的最低輸入電壓(約-250mV)；Vin真正的來(lái)自分流電阻的輸入電壓；Sync來(lái)自控制單元的低電壓同步信號(hào)；POPWM輸出脈沖信號(hào)；Vrh輸出參考最高電壓；Vrl輸出參考最低電壓；OUT模擬輸出電壓。
另一個(gè)傳送電流信息的例子是經(jīng)由帶隔離的數(shù)字通訊，例如HP7860。這個(gè)芯片電路執(zhí)行三個(gè)任務(wù)于一身，即信號(hào)調(diào)整，信號(hào)測(cè)量和隔離并傳送測(cè)量結(jié)果。其基本思想由圖3來(lái)解釋。其中13是一個(gè)帶隔離的調(diào)制器(HP7860)，用來(lái)把分流電阻上的電壓轉(zhuǎn)化成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)并將依靠其自有的同步信號(hào)送出串行同步的數(shù)據(jù)(10MHz同步時(shí)鐘)，從HP7860出來(lái)的數(shù)據(jù)信號(hào)不能被通常的數(shù)字控制單元17接受，所以該公司又提供一種數(shù)字接口芯片14(HPx870)來(lái)作為調(diào)制隔離器13和數(shù)字控制單元17之間的接口。
因每一個(gè)分流電阻通道都需要一個(gè)這樣的芯片14，這個(gè)總成本就提高了，在多相電機(jī)控制中復(fù)雜程度增加了，數(shù)據(jù)傳送速度也大受限制。
至少?gòu)囊陨辖忉屩锌煽闯?，比照上述現(xiàn)有技術(shù)，希望有一個(gè)從分流電阻到數(shù)字控制單元之間降低電路復(fù)雜性的方法，和提高電路可靠性，并減少信號(hào)延遲的設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容
1、發(fā)明目的本發(fā)明的目的是提供一種電路簡(jiǎn)單、速度更快的用于電機(jī)控制的快速電流傳感器。
2、技術(shù)方案一種用于電機(jī)控制的快速電流傳感器，其特征是該快速電流傳感器由如下部件組成(1)一個(gè)信號(hào)傳送單元，包含雙箝位二極管，其雙負(fù)極性端分接至分流電阻的兩端，正極性端接至低壓邊電容；三個(gè)電容，或其中任何兩個(gè)，用于在二極管關(guān)斷隔離時(shí)保持信號(hào)；兩個(gè)限流電阻被連到箝位二極管和保持電壓的電容上，充電電阻的另一端接至箝位電源；(2)和一個(gè)信號(hào)調(diào)整單元，包含
一個(gè)差分放大器，位于信號(hào)傳送單元和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD)之間；一個(gè)參考電壓?jiǎn)卧?，連到差分放大器的非反相輸出端和模數(shù)轉(zhuǎn)換參考地。
所述雙箝位二極管，將信號(hào)傳送單元的輸出箝位到電機(jī)控制的開(kāi)關(guān)周期中某些時(shí)刻的分流電阻的壓降上。
其中的二極管是在底部的開(kāi)關(guān)元件導(dǎo)通或飽和時(shí)發(fā)生箝位。若數(shù)字電路的電源及地都放到接近開(kāi)關(guān)電源電壓高端時(shí)，箝位應(yīng)發(fā)生在上開(kāi)關(guān)元件導(dǎo)通或飽和時(shí)，此種場(chǎng)合下的兩個(gè)箝位二極管應(yīng)反過(guò)極性來(lái)放置。
有兩個(gè)電容的一端是接地的，這兩個(gè)電容參數(shù)一致。
信號(hào)調(diào)整單元中的差分放大的增益是由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD)的輸入范圍與分流電阻的最大輸出的比值來(lái)確定。
電壓參考源單元，用于當(dāng)分流電阻提供的是雙極性信號(hào)而模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD)的輸入是單極性的場(chǎng)合。
電壓參考源單元的輸出電壓是單極性輸入的模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入范圍的一半。
本發(fā)明的基本思路是采用一個(gè)不同于以前的電路結(jié)構(gòu)。已有技術(shù)的結(jié)構(gòu)(圖1)中信號(hào)調(diào)整器7原來(lái)是在信號(hào)傳送單元9之前的(高壓一方)，現(xiàn)在被放到9的后面(低壓一方)。這樣一來(lái)，在信號(hào)調(diào)整器7之后的信號(hào)測(cè)量單元8就可以去掉了。因?yàn)閷?duì)低壓模擬信號(hào)，很多DSP和MC就有片上A/D轉(zhuǎn)換器功能可接受，而且低電壓一方的信號(hào)調(diào)整器可以根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)范圍來(lái)提供恰好的電壓信號(hào)值，這樣就可充分利用DSP/MC的片上資源。新的電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可由圖4來(lái)表示。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)現(xiàn)特點(diǎn)，是提供了一個(gè)特別的信號(hào)傳送單元19，這個(gè)單元19使用了一個(gè)所謂雙箝位器的電路，這樣就可以把信號(hào)傳送器19從信號(hào)調(diào)整器20后面移到信號(hào)調(diào)整器20前面。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)現(xiàn)特點(diǎn)是，雙箝位器的主要部件含有兩個(gè)半導(dǎo)體二極管23，24。它們?cè)谝粋€(gè)開(kāi)關(guān)周期中的一些時(shí)間里傳送分流電阻上的電流信息，在同一周期的其它時(shí)間里卻隔離高電壓共模信號(hào)。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)現(xiàn)特點(diǎn)是，信號(hào)傳送單元(圖5)包含了一些電阻25，26和電容27，28，29。在箝位二極管23，24隔離高壓共模信號(hào)時(shí)或其它非箝位時(shí)刻，電容27，28，29上的電壓信號(hào)保持了分流電阻傳來(lái)的電流的信息。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)現(xiàn)特點(diǎn)是，提供了一個(gè)特別的信號(hào)調(diào)整器單元，這個(gè)單元把信號(hào)傳送單元輸出來(lái)的信號(hào)線(xiàn)性地轉(zhuǎn)換成適合DSP/MC輸入范圍的信號(hào)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)現(xiàn)特點(diǎn)，在信號(hào)調(diào)整單元30中提供了一個(gè)差分放大器31，在一個(gè)參考電壓源36的輔助下，31將電流信號(hào)放大為dsp/mc中的AD轉(zhuǎn)換器輸入所需要的電壓范圍。
3、有益效果由于本發(fā)明引入了一個(gè)雙箝位電路，簡(jiǎn)化了此前的電流傳感器電路，使過(guò)程更快，結(jié)果更可靠。又由于本發(fā)明提供了一個(gè)信號(hào)調(diào)整器電路，使任何形式的分流電阻上的信號(hào)能一步到位地適合到模數(shù)轉(zhuǎn)換(AD)器的輸入范圍。
四

圖1是一個(gè)代表已有技術(shù)的多相電機(jī)的某一相電流傳感器的結(jié)構(gòu)框圖。
圖2是已有技術(shù)用于電機(jī)控制的相電流傳感器芯片-IR2277S/IR2177S的工作波形圖。
圖3是已有技術(shù)的電流傳感器的另一例，HP7860的結(jié)構(gòu)圖。
圖4是本專(zhuān)利的電流傳感器結(jié)構(gòu)框圖。
圖5是本發(fā)明的信號(hào)傳送器的原理圖。
圖6是本發(fā)明的信號(hào)調(diào)整器的結(jié)構(gòu)圖。
五具體實(shí)施例方式
為滿(mǎn)足前述需要，本發(fā)明提供了一個(gè)電路，其特點(diǎn)在很大程度上實(shí)現(xiàn)了這個(gè)設(shè)計(jì)思想。這個(gè)電路結(jié)構(gòu)，顯示于圖4中，提供了不同于從前傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。它把圖1中的信號(hào)調(diào)整器單元7從信號(hào)傳送單元9的前面(高電壓)位置移到了18中信號(hào)傳送單元19的后面，成為20。這樣跟隨在圖1中7之后的測(cè)量單元8就可以被省去。因?yàn)樵诒驹O(shè)計(jì)中，信號(hào)調(diào)整器20及其后的單元都屬于低電壓電路，而許多低壓的DSP/MC的片上功能就包含了AD轉(zhuǎn)換等信號(hào)測(cè)量單元，這樣的優(yōu)點(diǎn)是充分利用了強(qiáng)大的DSP/MC片上功能資源，簡(jiǎn)化了電路。
本發(fā)明的另一個(gè)特點(diǎn)是，如果數(shù)字控制電路及其供電電路都放在高電壓開(kāi)關(guān)電源的高端，即Vbus+處，而不是Vbus-處，本發(fā)明一樣使用。只是把下面所要描述的部分帶極性的元件，如二極管等，反極性放置。然而，總體的電路結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方法是一樣的。
本發(fā)明的另一個(gè)特點(diǎn)是，提供了一個(gè)把圖1中信號(hào)傳送單元9從信號(hào)調(diào)整單元7后面的位置提前到圖4中信號(hào)調(diào)整單元20的前面的位置，成為新的19的方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)前面的要求，這就是新的信號(hào)傳送單元(圖5)，它直接與多相電機(jī)的相電流電路相連。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)現(xiàn)特點(diǎn)，在信號(hào)傳送單元(圖5)中提供了一對(duì)特別的隔離二極管23，24，稱(chēng)作雙箝位器，它們的參數(shù)須是一致的。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)現(xiàn)特點(diǎn)是，在信號(hào)傳送單元(圖5)中提供了一個(gè)直流箝位電源VCC。VCC電壓不能超過(guò)后面信號(hào)調(diào)整單元20(在圖4中)的絕對(duì)最大額定參數(shù)，例如單元20的電源電壓最大值。
VCC的水平也必須足夠高，通過(guò)中間的限流電阻25，26，使圖5中的二極管23，24在開(kāi)關(guān)元件2導(dǎo)通及飽和時(shí)能夠箝位。VCC的電壓水平必須比圖5中開(kāi)關(guān)元件2的飽和電壓值高至少數(shù)伏以上。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)現(xiàn)特點(diǎn)，在圖5中二極管23，24的負(fù)極連到電機(jī)某一相的分流電阻兩端。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)現(xiàn)特點(diǎn)，在圖5中提供了三個(gè)電容27，28，29的位置。當(dāng)開(kāi)關(guān)元件1關(guān)斷而2導(dǎo)通時(shí)，二極管23，24的正極性端的電壓U1L和U2L被箝位到(幾乎等于)負(fù)極性端電壓U1H和U2H。在此箝位期間，(U1L-U2L)幾乎等于(U1H-U2H)，并被此時(shí)充電的電容27，28，29保持一段時(shí)間。電流信息就這樣從分流元件4上傳遞到二極管23，24的正極性端，即(U1L-U2L)，并被電容27，28，29保持。三個(gè)電容27，28，29中的任何兩個(gè)都能完成保持電流信息的工作。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)現(xiàn)特點(diǎn)，箝位二極管的反向峰值電壓參數(shù)高于被測(cè)電路的電機(jī)的開(kāi)關(guān)電源電壓，電路中的浪涌及瞬沖電壓。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)現(xiàn)特點(diǎn)，圖5中限流電阻25，26參數(shù)是一致的。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)現(xiàn)特點(diǎn)，圖5中電容28，29參數(shù)是一致的。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)現(xiàn)特點(diǎn)，信號(hào)傳送單元的電阻25，26和電容27，28，29之間組成的任何時(shí)間常數(shù)必須小于電機(jī)的電氣時(shí)間常數(shù)。如果電機(jī)控制算法使AD采樣時(shí)間正好在箝位時(shí)間內(nèi)，電阻電容之間形成的時(shí)間常數(shù)可以更小，或者電容可被拿掉。
在另外一些場(chǎng)合，例如AD采樣時(shí)間是在開(kāi)關(guān)元件1開(kāi)通而2關(guān)斷時(shí)，則必須有電容來(lái)保持(U1L-U2L)足夠長(zhǎng)久，直到采樣來(lái)臨時(shí)。當(dāng)開(kāi)關(guān)元件1開(kāi)通時(shí)，分流電阻兩邊的電壓都高到接近Vbus+，箝位二極管23，24由于逆向偏壓而截止。這時(shí)的高電壓U1H，U2H就被二極管隔離了。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)現(xiàn)特點(diǎn)，是提供了一個(gè)信號(hào)調(diào)整單元20來(lái)線(xiàn)性地放大由信號(hào)傳送單元19輸出的電流信號(hào)(U1L-U2L)。單元20的輸出正好適合DSP/MC的AD轉(zhuǎn)換器的輸入范圍。信號(hào)調(diào)整單元20的結(jié)構(gòu)于圖6。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)現(xiàn)特點(diǎn)，信號(hào)調(diào)整單元中引入了一個(gè)差分放大器31。放大器31的增益應(yīng)這樣設(shè)定，即滿(mǎn)足后面要提到的要求，就是Gain=RfRin=(V2-V1)max2*(U2L-U1L)max]]>其中V2是DSP/MC的AD轉(zhuǎn)換器的模擬輸入電壓；V1是DSP/MC的AD轉(zhuǎn)換器模擬輸入的參考地；(V2-V1)max是AD轉(zhuǎn)換器輸入電壓范圍；(U2L-U1L)max是信號(hào)傳送單元的最大輸出，相當(dāng)于分流電阻4的最大端電壓差值輸出。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)現(xiàn)特點(diǎn)，提供了一個(gè)參考電壓?jiǎn)卧?6，示于圖6中。當(dāng)分流電阻輸出正負(fù)雙極性電流信號(hào)時(shí)，輸入端具有單極性電壓輸入范圍的AD轉(zhuǎn)換器的仍可得到全范圍線(xiàn)性轉(zhuǎn)換。參考電壓?jiǎn)卧?6的輸出值是(V2-V1)max2]]>當(dāng)信號(hào)調(diào)整器的輸入(U1L-U2L)＝0時(shí)，有(V2-V1)=(V2-V1)max2]]>對(duì)任何信號(hào)調(diào)整器的輸入(U2L-U1L)，有V2-V1=(U2L-U1L)*Gain+(V2-V1)max2]]>
權(quán)利要求
1.一種用于電機(jī)控制的快速電流傳感器，其特征是該快速電流傳感器由如下部件組成(1)一個(gè)信號(hào)傳送單元，包含雙箝位二極管，其雙負(fù)極性端分接至分流電阻的兩端，正極性端接至低壓邊電容；三個(gè)電容，或其中任何兩個(gè)，用于在二極管關(guān)斷隔離時(shí)保持信號(hào)；兩個(gè)限流電阻被連到箝位二極管和保持電壓的電容上，充電電阻的另一端接至箝位電源；(2)和一個(gè)信號(hào)調(diào)整單元，包含一個(gè)差分放大器，位于信號(hào)傳送單元和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD)之間；一個(gè)參考電壓?jiǎn)卧B到差分放大器的非反相輸出端和模數(shù)轉(zhuǎn)換參考地。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速電流傳感器，其特征是所述雙箝位二極管，將信號(hào)傳送單元的輸出箝位到電機(jī)控制的開(kāi)關(guān)周期中某些時(shí)刻的分流電阻的壓降上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的快速電流傳感器，其特征是兩個(gè)箝位二極管是同樣的，有一致的參數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的快速電流傳感器，其特征是其中的二極管是在底部的開(kāi)關(guān)元件導(dǎo)通或飽和時(shí)發(fā)生箝位，數(shù)字電路的電源及地都放到接近開(kāi)關(guān)電源電壓高端時(shí)，箝位應(yīng)發(fā)生在上開(kāi)關(guān)元件導(dǎo)通或飽和時(shí)，此種場(chǎng)合下的兩個(gè)箝位二極管應(yīng)反過(guò)極性來(lái)放置。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的快速電流傳感器，其特征是箝位二極管的反向峰值電壓參數(shù)要求高于被測(cè)電路的電機(jī)開(kāi)關(guān)電源電壓、電路中的浪涌及瞬沖電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速電流傳感器，其特征是有兩個(gè)電容的一端是接地的，這兩個(gè)電容參數(shù)一致。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速電流傳感器，其特征是信號(hào)傳送單元的任何電阻和電容之間組成的時(shí)間常數(shù)必須小于電機(jī)的電氣時(shí)間常數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速電流傳感器，其特征是信號(hào)調(diào)整單元中的差分放大的增益是由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD)的輸入范圍與分流電阻的最大輸出的比值來(lái)確定。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速電流傳感器，其特征是電壓參考源單元，用于當(dāng)分流電阻提供的是雙極性信號(hào)而模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD)的輸入是單極性的場(chǎng)合。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的快速電流傳感器，其特征是電壓參考源單元的輸出電壓是單極性輸入的模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入范圍的一半。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于電機(jī)控制的快速電流傳感器，該快速電流傳感器由如下部件組成(1)一個(gè)信號(hào)傳送單元，包含雙箝位二極管，三個(gè)電容，或其中任何兩個(gè)；(2)一個(gè)信號(hào)調(diào)整單元，包含一個(gè)差分放大器，一個(gè)參考電壓?jiǎn)卧?。由于本發(fā)明引入了一個(gè)雙箝位電路，簡(jiǎn)化了此前的電流傳感器電路，使過(guò)程更快，結(jié)果更可靠。又由于本發(fā)明提供了一個(gè)信號(hào)調(diào)整器電路，使任何形式的分流電阻上的信號(hào)能一步到位地適合到模數(shù)轉(zhuǎn)換(AD)器的輸入范圍。
文檔編號(hào)H02P7/18GK101013872SQ200610097469
公開(kāi)日2007年8月8日 申請(qǐng)日期2006年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月10日
發(fā)明者陸啟建, 陸啟湘 申請(qǐng)人:陸啟建, 陸啟湘