專利名稱：一種用于電機(jī)控制的精確電流傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于簡化電機(jī)控制電路，提高電機(jī)控制開關(guān)工作頻率的傳感器裝置。更具體地說，本發(fā)明涉及的是提高電流傳感器在模數(shù)轉(zhuǎn)換(簡稱為AD轉(zhuǎn)換)之前的信號噪聲比，使檢測精度不受開關(guān)頻率的影響.，開關(guān)頻率從現(xiàn)在的20KHz可提高至數(shù)倍。
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，這些相電流信號總是由高電壓的開關(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這些信號，否則會損壞電路。因此有些特別的電流傳感器就被開發(fā)出來，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)字信號處理器(簡稱為DSP)或微控制器(簡稱為MC)中，同時(shí)把高壓開關(guān)電源和DSP/MC所依賴的低壓直流電源隔離開來。
已開發(fā)出來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，開關(guān)元件1和2由電機(jī)控制算法來決定何時(shí)通還是斷，但它們在任何時(shí)刻不能同時(shí)導(dǎo)通，從開關(guān)元件1和2來的電流經(jīng)分流電阻4流到電機(jī)3。
由一個(gè)(隨開關(guān))浮動的正電源5供電的信號調(diào)整器7直接連到分流電阻4，測量單元8測量7的信號輸出。因測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。
為解決上述問題，引進(jìn)了信號隔離器9，也稱它作信號傳送器9，因?yàn)閷?shí)際上它同時(shí)做這兩件事，在信號傳送器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。這種系統(tǒng)的缺點(diǎn)是比較復(fù)雜和速度慢，精度也受到速度的限制。
一個(gè)現(xiàn)有的例子就是IR2277S/IR2177S芯片電路。信號測量是在芯片內(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的低壓脈沖寛度調(diào)制(PWM)信號。這種方案的缺點(diǎn)之一就是工作頻率低，不超過20KHz，另一個(gè)缺點(diǎn)是需要額外的外部控制單元來的同步信號(Sync)。當(dāng)分流電阻上的電流改變到新值時(shí)，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。用這種方法進(jìn)行信號傳遞的時(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 真正的來自分流電阻的輸入電壓；Sync來自控制單元的低電壓同步信號PO PWM輸出脈沖信號；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)傳感器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，即信號調(diào)整、信號測量和隔離并傳送測量結(jié)果。其基本思想由圖3來解釋。其中13是一個(gè)帶隔離的調(diào)制器(HP7860)，用來把分流電阻的電壓轉(zhuǎn)化成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)并將依靠其自有的同步信號送出串行同步的數(shù)據(jù)(10MHz同步時(shí)鐘)。從HP7860出來的數(shù)據(jù)信號不能被通常的數(shù)字控制單元17接受，所以又提供一種數(shù)字接口芯片14，(HPx870)來作為調(diào)制隔離器13和數(shù)字控制單元17之間的數(shù)字接口。因每一個(gè)分流電阻通道都需要一個(gè)這樣的芯片14，總成本就提高了，在多相電機(jī)控制中復(fù)雜程度增加了。
HP7860另一缺點(diǎn)是分辯率隨數(shù)據(jù)傳輸速率提高而降低，例如要傳輸12位精度數(shù)據(jù)，則傳輸?shù)难舆t是18uS，要求14位精度時(shí)延遲達(dá)94uS，大大超過一般的開關(guān)周期50us＝1/20Khz。
從以上對現(xiàn)有技術(shù)的介紹中可以看出，希望有一個(gè)從分流電阻4到數(shù)字控制單元10之間的更簡單的電流檢測電路，并能在提高信號檢測速度同時(shí)保持檢測精度。

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單、檢測速度快、檢測精度高的一種用于電機(jī)控制的精確電流傳感器。
2、技術(shù)方案一種用于電機(jī)控制的精確電流傳感器，其特征是它包括(1)一個(gè)信號調(diào)整單元，其中包括一個(gè)差分放大器；
一個(gè)電壓參考單元；(2)一個(gè)信號傳送單元，其中包括一對雙箝位二極管；一個(gè)直流電源VCC，來提供足夠的電壓，使當(dāng)?shù)臀婚_關(guān)元件導(dǎo)通時(shí)雙箝位二極管能發(fā)生箝位作用；一組電容，來保持電流信息；一對電阻，來對電容充或放電，并限制流向箝位二極管的電流；(3)一個(gè)電平移位電路，包含一個(gè)差分放大器，其反饋電阻和輸入電阻是同樣的值。
其中的輸出電路被連到一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD)，這個(gè)AD或是獨(dú)立的，或是在DSP/MC片內(nèi)的。
其中的輸入電路是連到多相電機(jī)控制系統(tǒng)的每一相的作為電流敏感器件的分流電阻，每一相需要單獨(dú)的一個(gè)這種電路。
在信號傳送單元之前的信號調(diào)整單元，信號調(diào)整單元中包含了一個(gè)差分放大器。
信號調(diào)整單元中提供了電壓參考單元，來把信號調(diào)整單元輸入的雙極性信號變成單極性輸出。
所述信號傳送單元，在傳送電流信號的同時(shí)，隔離高電壓區(qū)對低電壓區(qū)的干擾。其中含有一對相同的二極管，來輸入從信號調(diào)整單元輸出的信號。含有一對電阻，來對箝位二極管和保持電流信息的電容提供偏置電壓。含有一個(gè)、或二個(gè)、或三個(gè)電容，來保持含電流信息的電壓。被充電的電容的電壓是輸出到電平移位單元去的。由電容和電阻形成的時(shí)間常數(shù)小于電機(jī)的電氣時(shí)間常數(shù)。
在信號傳送單元和AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器之間含有一個(gè)電平移位單元。其中含有一個(gè)增益為一的差分放大器，來移動信號傳送單元來的非零參考電壓到模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD)輸入的參考地。
本發(fā)明的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是把已有電路中的信號測量單元去除掉，這樣便簡化了電路，降低了成本，給用戶選擇各樣的AD提供靈活性。因?yàn)楝F(xiàn)在的許多DSP/MC都有各式各樣的片上模數(shù)轉(zhuǎn)換(AD)功能塊。
本發(fā)明的另一個(gè)特點(diǎn)是，提供了一個(gè)專用的信號調(diào)整單元，它能線性地放大來自分流電阻的電流信號以適合模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD)輸入范圍的需要。例如從幾百毫伏放大到幾伏，另一個(gè)重要功能是在信號傳送到低壓端之前提高信號噪聲比。
本發(fā)明的另一個(gè)特點(diǎn)是，在信號調(diào)整單元中引入一個(gè)差分放大器，其輸入直接連至分流電阻的兩端。
本發(fā)明的另一個(gè)特點(diǎn)是，當(dāng)在數(shù)字控制器10中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD)輸入范圍為單極性或僅正值范圍，例如0至3伏，而流過分流電阻上的電流信號是雙極性，即有正有負(fù)，在差分放大器后面提供了一個(gè)電壓參考單元，這樣就使對應(yīng)于分流電阻上零電流時(shí)的信號調(diào)整單元輸出為AD轉(zhuǎn)換器輸入范圍的中值。
本發(fā)明的另一個(gè)特點(diǎn)是，提供了一種特別的信號傳送單元，其中包含一個(gè)可稱為雙箝位器的部件，這個(gè)設(shè)計(jì)可以簡化電路的總體設(shè)計(jì)。
本發(fā)明的另一個(gè)特點(diǎn)是，在信號傳送單元之后提供了一個(gè)電平移位器，它的功能是將由于開關(guān)元件的導(dǎo)通飽和電壓降非零而造成的非零最低輸入平移到AD輸入的最低值，或零電位。
由于雙箝位電路的特性，在開關(guān)周期的某些時(shí)段內(nèi)，信號傳送單元的輸出是跟隨信號調(diào)整器的輸出的，而信號調(diào)整單元輸出則永遠(yuǎn)跟著分流電阻上的電流信號，只要根據(jù)功率開關(guān)元件的狀態(tài)適當(dāng)?shù)剡x擇AD轉(zhuǎn)換器的采樣時(shí)刻在此時(shí)段內(nèi)，則此電流傳感器的精度可不受開關(guān)頻率的限制，例如20Khz，40Khz，60Khz，…。
3、有益效果本發(fā)明提供的電流傳感器電路，其中包括了一個(gè)放在信號傳送單元之前的信號調(diào)整單元，在信號傳入低電壓區(qū)之前就提高信號噪聲比，使電流檢測更準(zhǔn)確；它也包含了一個(gè)新的信號傳送單元，來把高壓區(qū)調(diào)整了的有用信號送入低壓電路，同時(shí)隔離高壓，這樣就使電流測量更準(zhǔn)確，快速和可靠，傳感器的輸出準(zhǔn)確度由此得以維持而不論開關(guān)頻率是20KHz，或更高。
四

圖1是一個(gè)代表現(xiàn)有多相電機(jī)控制的某一相電流傳感器的結(jié)構(gòu)框圖。
圖2是現(xiàn)有的用于電機(jī)控制的相電流傳感器芯片-IR2277S/IR2177S的工作波形圖。
圖3是現(xiàn)有的電流傳感器的另一例，HP7860芯片的結(jié)構(gòu)圖。
圖4是新的精確電流傳感器結(jié)構(gòu)框圖。
圖5是分流電阻/信號調(diào)整單元結(jié)構(gòu)圖。
圖6是用于本發(fā)明的新式信號傳送器的原理圖。
圖7是電平移位單元的結(jié)構(gòu)圖。
五具體實(shí)施例方式
本發(fā)明將在以下敘述中用圖解來進(jìn)一步闡述，圖中各部件在后面全文中都用它們的編號表示。
根據(jù)本發(fā)明的特點(diǎn)所作，圖4是一種新的精確電流傳感器系統(tǒng)，本電路系統(tǒng)包括分流電阻4，一個(gè)信號調(diào)整單元19，一個(gè)信號傳送單元20，和一個(gè)電平移位單元21。原來在圖1中的信號測量單元8在此設(shè)計(jì)中被省去，從而簡化了電路，降低了成本，也大大地消除了此元件引起的信號延遲。
圖5是新傳感器系統(tǒng)(圖4)中信號調(diào)整單元19的一種實(shí)現(xiàn)，其特點(diǎn)是引入了差分放大器24，來線性地放大從分流電阻來的電流信號。
本發(fā)明的另一個(gè)特點(diǎn)是，在放大器24中只使用了電阻作為反饋和輸入元件，輸入電阻接至電機(jī)的分流電阻電流通路，這樣可以在降低成本時(shí)也保持了快速響應(yīng)，其中的信號有U1H和U2H 分流電阻4兩端的電壓信號；V2放大器24的輸出；V1放大器輸出參考點(diǎn)，被連到開關(guān)元件2的頂端；(V2-V1) 信號調(diào)整單元23的輸出；(V2-V1)max輸出最大范圍。
本發(fā)明的另一個(gè)特點(diǎn)是，其中提供了一個(gè)電壓參考單元29，來把信號調(diào)整單元輸入的雙極性信號變成單極性輸出。它的輸出選為信號調(diào)整單元最大輸出的一半，即(V2-V1)max2]]>圖5中兩個(gè)反饋電阻27，28的值都等于Rf，而兩個(gè)輸入電阻25，26的值都等于Rin。假定模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD)的輸入范圍是(V2-V1)max，則有V2-V1=(U2H-U1H)*RfRin+Voltage Re ference]]>=(U2H-U1H)*RfRin+(V2-V1)max2]]>這里的增益應(yīng)選為
Gain=RfRin=(V2-V1)max2*(U2H-U1H)max]]>例如，(U2h-U1h)max＝0.2V，(V2-V1)max＝3V，Rin＝1.00k，則有Rf=Rin*Gain=Rin*(V2-V1)max2*(U2h-U1h)max=1.00k*3.0V2*0.2V=7.5k]]>在圖5中，開關(guān)電源的正負(fù)電壓源Vbus+和Vbus-之間可能是數(shù)百伏或更高，當(dāng)開關(guān)元件1和2交替通斷時(shí)，其上的電壓降也交替在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)時(shí)而幾百伏，時(shí)而飽和到只有一兩伏。所以信號調(diào)整器的輸出參考點(diǎn)V1也隨之于一周內(nèi)在幾百伏和幾伏之間波動，所以信號V1和V2都不能直接接到傳感器中的數(shù)字控制單元10去。
本發(fā)明的另一個(gè)特點(diǎn)是，提供了一種特殊的信號傳送電路，來隔離新傳感器中含信號調(diào)整單元19的高電壓區(qū)和后面的低電壓區(qū)的信號，示于圖6。
本發(fā)明的另一個(gè)特點(diǎn)是，圖6中包含稱為雙箝位器的二極管33，34，它們的參數(shù)相同，其負(fù)端被接到信號調(diào)整單元32的輸出V1，V2。如果新傳感器(圖4)中的信號傳送單元20的位置放在接近正開關(guān)電壓Vbus+處，則兩個(gè)二極管的極性都要反過來接。
本發(fā)明的另一個(gè)特點(diǎn)是，在圖6中提供電容35，36，37來保持電流信息，也提供了電阻38，39來對箝位二極管和保持電流信息的電容提供偏置電壓。
本發(fā)明的另一個(gè)特點(diǎn)是，信號傳送單元中的電容上的電壓被輸出到電平移位單元去，傳送單元的電源VCC必須高于V1min和V2min數(shù)伏以上，也就是[(V2-V1)max+V1min]V1min是開關(guān)元件2的飽和電壓降。這樣當(dāng)開關(guān)元件2導(dǎo)通而1關(guān)斷時(shí)，信號調(diào)整單元32的輸出V1、V2也都跌至相對Vbus-只有幾伏。信號傳送單元的輸出信號U1L和U2L通過二極管33、34被箝位至V1和V2。這時(shí)U2L電壓跟隨V2、U1L電壓跟隨V1，中間只差一個(gè)二極管壓降。電流信息(U2H-U1H)就這樣從分流電阻4傳送到了二極管的正極端，即(U2L-U1L)，并保持在電容上。
然而清況并不永遠(yuǎn)如此，例如當(dāng)開關(guān)元件1導(dǎo)通而2關(guān)斷時(shí)，U2L和U1L并不跟隨V2和V1。這時(shí)的雙箝位二極管由于反偏置電壓而截?cái)啵?此刻的)高電壓V1，V2，U1H，U2H都幾乎達(dá)到Vbus+，但被33，34隔離，而電流信息(U2L-U1L)則被留在了電容上。
本發(fā)明的另一個(gè)特點(diǎn)是，由電阻38，39和電容35，36，37之間形成的任何時(shí)間常數(shù)小于電機(jī)的電氣時(shí)間常數(shù)。有的電機(jī)控制算法把模數(shù)轉(zhuǎn)換(AD)的采樣時(shí)刻定在開關(guān)周期的箝位時(shí)段內(nèi)，這樣的情況下時(shí)間常數(shù)可更小，甚至把電容35，36，37取消。
在另外的算法里，例如采樣定在開關(guān)元件1導(dǎo)通而2關(guān)斷的時(shí)段，則電容必須保留，電容要保持(U2L-U1L)足夠長，直至AD采樣到來。
時(shí)間常數(shù)R1C1(38，37組合)和R2C2(39，36組合)及其它組合的時(shí)間常數(shù)可以根據(jù)DSP/MC中AD采樣算法來確定，一般有R1*C1=R2*C2>Thold5]]>Thold是電容上的電壓(U2L-U1L)能保持1％準(zhǔn)確性的時(shí)段，AD采樣應(yīng)在此時(shí)段結(jié)束前來到。
當(dāng)需要Thold時(shí)，三個(gè)電容35，36，37中的任何兩個(gè)就足以完成以上任務(wù)。
從電路安全著眼，雙箝位二極管的反向耐壓值要高于開關(guān)電源電壓，電路過程產(chǎn)生的各種浪涌和瞬沖電壓值。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)特點(diǎn)，提供了一個(gè)電平移位單元(圖7)。當(dāng)信號U1L跟隨圖6中的信號調(diào)整單元32的輸出最低值V1min時(shí)，V1min實(shí)際上是開關(guān)元件2的飽和壓降，大小也就是幾伏，不是零。模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD)的輸入?yún)⒖键c(diǎn)是固定值，比如說相對于接地點(diǎn)的零伏。電平移位單元可把任何由開關(guān)元件飽和壓降非零帶來的非零值參考點(diǎn)移到AD轉(zhuǎn)換器的參考點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)特點(diǎn)，在電平移位單元中提供了一個(gè)差分放大器42。其所有的輸入電阻和反饋電阻的值都一樣，等于R。所以其增益是一，有(Vad2-Vad1)＝(U2L-U1L)根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)特點(diǎn)，把放大器輸出參考點(diǎn)Vad1直接連至AD轉(zhuǎn)換器的輸入?yún)⒖键c(diǎn)ADC_GND。
權(quán)利要求
1.一種用于電機(jī)控制的精確電流傳感器，其特征是它包括(1)一個(gè)信號調(diào)整單元，其中包括一個(gè)差分放大器；一個(gè)電壓參考單元；(2)一個(gè)信號傳送單元，其中包括一對雙箝位二極管；一個(gè)直流電源VCC，來提供足夠的電壓，使當(dāng)?shù)臀婚_關(guān)元件導(dǎo)通時(shí)雙箝位二極管能發(fā)生箝位作用；一組電容，來保持電流信息；一對電阻，來對電容充或放電，并限制流向箝位二極管的電流；(3)一個(gè)電平移位電路，包含一個(gè)差分放大器，其反饋電阻和輸入電阻是同樣的值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的精確電流傳感器，其特征是其中的輸出電路被連到一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD)，這個(gè)AD或是獨(dú)立的，或是在DSP/MC片內(nèi)的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的精確電流傳感器，其特征是其中的輸入電路是連到多相電機(jī)控制系統(tǒng)的每一相的作為電流敏感器件的分流電阻，每一相需要單獨(dú)的一個(gè)這種電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的精確電流傳感器，其特征是在信號傳送單元之前的信號調(diào)整單元，信號調(diào)整單元中包含了一個(gè)差分放大器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的精確電流傳感器，其特征是信號調(diào)整單元中提供了電壓參考單元，來把信號調(diào)整單元輸入的雙極性信號變成單極性輸出。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的精確電流傳感器，其特征是所述信號傳送單元，在傳送電流信號的同時(shí)，隔離高電壓區(qū)對低電壓區(qū)的干擾。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的精確電流傳感器，其特征是含有一對相同的二極管，來輸入從信號調(diào)整單元輸出的信號。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的精確電流傳感器，其特征是含有一對電阻，來對箝位二極管和保持電流信息的電容提供偏置電壓。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的精確電流傳感器，其特征是含有一個(gè)、或二個(gè)、或三個(gè)電容，來保持含電流信息的電壓。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的精確電流傳感器，其特征是被充電的電容的電壓是輸出到電平移位單元去的。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的精確電流傳感器，其特征是由電容和電阻形成的時(shí)間常數(shù)小于電機(jī)的電氣時(shí)間常數(shù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的精確電流傳感器，其特征是在信號傳送單元和AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器之間含有一個(gè)電平移位單元。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的精確電流傳感器，其特征是含有一個(gè)增益為一的差分放大器，來移動信號傳送單元來的非零參考電壓到模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD)輸入的參考地。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于電機(jī)控制的精確電流傳感器，其特征是它包括(1)一個(gè)信號調(diào)整單元，其中包括一個(gè)差分放大器；一個(gè)電壓參考單元；(2)一個(gè)信號傳送單元，其中包括一對雙箝位二極管；一個(gè)直流電源VCC；一組電容；一對電阻；(3)一個(gè)電平移位電路，包含一個(gè)差分放大器，其反饋電阻和輸入電阻是同樣的值。本發(fā)明使電流檢測更準(zhǔn)確，快速和可靠，傳感器的輸出準(zhǔn)確度得以維持而不論開關(guān)頻率是20KHz，或更高。
文檔編號H02P7/18GK1976203SQ200610097470
公開日2007年6月6日 申請日期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 申請人:陸啟建, 陸啟湘