專利名稱：一種用于變頻器的電流采樣電路及其采樣方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于變頻控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于變頻器的電流釆樣電路及其采樣方法。
背景技術(shù)：
在高性能的變頻控制系統(tǒng)中，電流檢測是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過檢測交流電機(jī)的相電流進(jìn)而實施對電壓源型PWM逆變器的相電流進(jìn)行閉環(huán)控制，以獲得高精度的三相正弦波電流信息，保證快速、準(zhǔn)確的電磁轉(zhuǎn)矩控制。經(jīng)典的電流檢測方法是應(yīng)用電流傳感器檢測電流，即在交流輸出端設(shè)置3個或者至少2個相電流傳感器，用以提供相電流反饋信號，直流電流傳感器常用于過流保護(hù)。
在變頻器的設(shè)計中電流的檢測方式是一個關(guān)系到成本和可靠性的關(guān)鍵問題，不同的檢測方式有不同的優(yōu)缺點。常用的電流傳感器是霍爾效應(yīng)檢測器，它不僅價格昂貴，而且體積龐大，難以集成在電力電子裝置中。近些年來，為減少電流傳感器數(shù)目，減小設(shè)備體積，降低設(shè)備成本，提高系統(tǒng)運行可靠性，逆變器相電流估計問題的研究備受關(guān)注。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)現(xiàn)狀而提供一種用于變頻器的電流采樣電路及其采樣方法的技術(shù)方案。
本發(fā)明采用以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題
一種用于變頻器的電流采樣電路的基本方案，所述變頻器包括六個開關(guān)管T1 T6，其特征在于，所述電流采樣電路在其直流母線負(fù)端或所述變頻器的至少二相的下橋臂輸出端串聯(lián)有釆樣電阻R。通過串聯(lián)在所述采樣電路上的采樣電阻R，采集流經(jīng)所述采樣電阻R的電流信息。
作為優(yōu)選，所述電流采樣電路在其直流母線負(fù)端串聯(lián)有一個采樣電阻R。作為進(jìn)一步優(yōu)選，所述采樣電阻R即為所述變頻器的過流保護(hù)電阻。用于上述變頻器的電流采樣電路的優(yōu)選方案及進(jìn)一步優(yōu)選方案的電流采樣方法，通過串聯(lián)在直流母線負(fù)端的采樣電阻R，采集直流母線電流Idc信息，再根據(jù)六個開關(guān)管T1 T6的開關(guān)狀態(tài)，并結(jié)合空間矢量PWM調(diào)制算法，進(jìn)而重構(gòu)電機(jī)的三相電流A、 B、 C。
作為上述電流采樣方法的的優(yōu)選，在采樣計算過程中還采用一種補償算法，用以解決死區(qū)時間帶來的負(fù)面影響，即在三相P麗的輸出占空比中，根據(jù)相電流的正負(fù)號，加入或減少誤差時間Ter。
作為上述電流采樣電路基本方案的另一種優(yōu)選方案，在所述變頻器的三相下橋臂輸出
端各自串聯(lián)有一個采樣電阻R1、 R2、 R3。
作為進(jìn)一步優(yōu)選，所述三個采樣電阻R1、 R2、 R3即為所述變頻器的過流保護(hù)電阻。用于上述變頻器的電流采樣電路的后一種優(yōu)選方案及進(jìn)一步優(yōu)選方案的電流采樣方
法，其特征在于，在下橋臂流過電機(jī)的負(fù)載電流時，直接采樣得到電機(jī)的三相負(fù)載電流信息。
本發(fā)明在其基本方案的基礎(chǔ)上，提出了兩種用采樣電阻代替電流傳感器進(jìn)行電機(jī)相電流的采樣方案，將負(fù)載檢測、過載、過流、短路保護(hù)均集中于同一電阻上，使系統(tǒng)得以簡化，有效降低了系統(tǒng)成本。而且采樣方法簡單，不涉及較復(fù)雜的運算，易于在工程上實現(xiàn)，與驅(qū)動系統(tǒng)的負(fù)載及模型參數(shù)無關(guān)，可在任何三相平衡電流的交流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中應(yīng)用。


圖1為本發(fā)明變頻器母線單電阻電流采樣電路原理圖。
圖2為本發(fā)明變頻器母線單電阻電流采樣電路方案逆變器開關(guān)處于(Sa， Sb, Sc) = (l,0， O)狀態(tài)時的電流走向示意圖。
圖3為本發(fā)明變頻器空間矢量示意圖。
圖4為本發(fā)明變頻器逆變橋開關(guān)狀態(tài)示意圖。
圖5為本發(fā)明變頻器PWM占空比示意圖。
圖6為本發(fā)明變頻器逆變橋A相橋臂開關(guān)信號和輸出電壓示意圖。圖7為本發(fā)明變頻器三相電阻電流采樣電路原理圖。
圖8為本發(fā)明變頻器三相電阻電流采樣電路方案電流處于(1， 0, O)狀態(tài)電流向量對應(yīng)的下橋臂續(xù)流狀態(tài)電流走向示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實施情況，但它們并不構(gòu)成對本發(fā)明的限定，僅作舉例。同時通過說明本發(fā)明的優(yōu)點將變得更加清楚和容易理解。實施例一直流母線單電阻采樣
直流母線單電阻采樣電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖l所示，通過串聯(lián)在直流母線負(fù)端的采樣電阻R，采集直流母線電流Idc的電信息，再根據(jù)六個開關(guān)管T1 T6的開關(guān)狀態(tài)，并結(jié)合空間矢量P麗調(diào)制算法，進(jìn)而重構(gòu)電機(jī)的三相電流A、 B、 C。該采樣電阻正是利用了IPM功率模塊的過流保護(hù)電阻，所以不會增加任何硬件成本。而傳統(tǒng)的電流檢測方法是應(yīng)用電流傳感器檢測電流，但較貴的傳感器使得系統(tǒng)成本增加。另一種方法是利用多個廉價的線性電阻獲取電流信息，但在硬件受限的條件下，有時也難以實現(xiàn)。從降低系統(tǒng)成本、減小體積出發(fā)，用單電流檢測技術(shù)獲取電機(jī)與驅(qū)動系統(tǒng)電流信息的方法成為一種有效方式。上面提到的空間矢量PWM調(diào)制算法，其原理如下
空間矢量算法(SVP麗)是將定子電流產(chǎn)生的磁場分為6個相限和6個基本矢量、2個零矢量，如圖3所示。任意方向的定子磁場都是由兩個相鄰的基本矢量合成得到的。
如圖4所示，每個基本矢量都對應(yīng)一種開關(guān)狀態(tài)，通過改變6個開關(guān)管的導(dǎo)通狀態(tài)可以隨意切換6個基本矢量。圖4的表格中，l代表上管導(dǎo)通、下管關(guān)斷，0代表下管導(dǎo)通、上管關(guān)斷。例如，矢量V1對應(yīng)A上、B下、C下導(dǎo)通，相當(dāng)于A相電流為正，B、 C相電流為負(fù)。其中，000和111分別代表兩個零矢量，因為當(dāng)3個上管同時導(dǎo)通或者3個下管同時導(dǎo)通時，電機(jī)中沒有電流流入或者流出。
任意方向的空間矢量被分為6個相限，每個相限的矢量都是由兩個相鄰的基本矢量和兩個零矢量構(gòu)成，通過改變兩個基本矢量的占空比來改變合成矢量的大小和方向。圖5為第一相限內(nèi)矢量的占空比示意圖，圖中P麵波的占空比采用7段法表示，T1代表基本矢量V1的占空比，T2代表基本矢量V2的占空比，T0和T7代表零矢量的占空比。這種PWM的調(diào)制方式就是空間矢量脈寬調(diào)制(SVP麗)。
電機(jī)相電流重構(gòu)技術(shù)在分析了互補P麗模式下逆變器換流基礎(chǔ)上，現(xiàn)提出空間矢量PWM (SVPWM)控制方式下交流電動機(jī)相電流重構(gòu)技術(shù)。該技術(shù)用一個線性電阻采樣逆變器直流母線電流，根據(jù)逆變器所處開關(guān)狀態(tài)和三相電流關(guān)系，計算出各相電流，實現(xiàn)交流電動機(jī)的相電流重構(gòu)。所謂互補輸出即以圖l所示的逆變系統(tǒng)中，同一橋臂的上、下兩個功率開關(guān)器件，在上橋臂器件導(dǎo)通時，下橋臂器件處于關(guān)斷狀態(tài)，反之亦然。
如前面所述，定義開關(guān)變量取0或1兩種狀態(tài)，其中1表示上橋臂功率開關(guān)器件導(dǎo)通；0表示下橋臂功率開關(guān)器件導(dǎo)通。則有圖4中表格所示的8種逆變器開關(guān)狀態(tài)。其中，(Sa，Sb, Sc) = (0， 0， O)和(Sa' Sb, Sc) = (l， 1， l)時，逆變器輸出電壓為零，于是將逆變器的這兩種開關(guān)狀態(tài)定義為零狀態(tài)，而將其余6種狀態(tài)定義為有效狀態(tài)。當(dāng)逆變器開關(guān)處于有效狀態(tài)時，例如處于(Sa， Sb, Sc) = (l， 0， 0)，其電流流通路徑如圖2所示。由圖2可見，該狀態(tài)下，直流母線電流Idc即為交流電動機(jī)的A相電流。同理基于開關(guān)狀態(tài)的定子電流可表示如下，且電流方向以流向負(fù)載為正
Idc=Ia when (Sa， Sb, Sc) = (l，0，0)
Idc=-la when (Sa， Sb， Sc) = (0, l，l)
5Idc=Ib when (Sa， Sb, Sc) = (0,1,0)Idc=-lb when (Sa， Sb, Sc) = (l，0, 1)Idc=Ic when (Sa， Sb, Sc) = (0，0，l)Idc=-Ic when (Sa， Sb， Sc) = (l，l，0)ldc=0 when (Sa， Sb， Sc) = (l， 1， 1)ldc=0 when (Sa， Sb, Sc) = (0，0，0)
圖2為本發(fā)明控制器功率模塊采用母線單電阻電流采樣電路方案逆變器開關(guān)處于(Sa，Sb, Sc) = (l, 0， O)狀態(tài)時的電流走向示意圖。因此，根據(jù)以上關(guān)系在有效狀態(tài)的適當(dāng)時機(jī)對直流母線電阻進(jìn)行采樣，就能重構(gòu)電機(jī)的三相電流。
技術(shù)關(guān)鍵點如前所述，采樣電阻R上的電壓Udc并不能全時域代表負(fù)載電流Ia、 Ib、Ic，而與開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)密切相關(guān)，因此對采樣電阻R的采樣時機(jī)便成為該項技術(shù)能否實現(xiàn)的關(guān)鍵點。
如圖3所示，當(dāng)定子磁場位于第一相限時，其相限內(nèi)任意方向的磁場矢量都是由基本矢量(100)和(110)合成得到的。對應(yīng)的P麗波形和開關(guān)管狀態(tài)如圖5所示，其中T1時間對應(yīng)100的開關(guān)狀態(tài)，采樣電阻上流過的電流如圖2所示即為交流電動機(jī)的A相電流，且大小相等方向相同；同理T2時間對應(yīng)110的開關(guān)狀態(tài)，采樣電阻上流過的電流代表交流電動機(jī)的C相電流，且大小相等方向相反。因此只有在T1時間和T2時間進(jìn)行采樣才能獲得有效的電機(jī)負(fù)載電流信息。
技術(shù)創(chuàng)新點理想情況下逆變器的上下橋臂的兩個功率開關(guān)器件總是互補導(dǎo)通和關(guān)閉的。但因為器件的導(dǎo)通和關(guān)斷都需要一定時間，且一般是關(guān)斷時間Toff比導(dǎo)通時間Ton長。因此在上下橋臂的導(dǎo)通和關(guān)斷之間加入了一段死區(qū)延時Td，以防止直流側(cè)短路。在死區(qū)時間內(nèi)，電流不可能突變，實際上是由導(dǎo)通的續(xù)流二極管構(gòu)成了回路。因此理想的調(diào)制信號和開關(guān)管輸出的實際信號之間存在偏差。這個偏差引起死區(qū)效應(yīng)，使輸出電壓波形產(chǎn)生畸變，降低了基波幅值，增加了低次諧波含量和電機(jī)的諧波損耗，在低頻以及高載波頻率時，會使電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生較大脈動，嚴(yán)重地影響了系統(tǒng)的運行性能。并且對于直流母線單電阻采樣方案，當(dāng)P麗輸出展空比小于死區(qū)時間使得系統(tǒng)無法通過直流母線采樣電阻進(jìn)行采樣，因此嚴(yán)重影響該方案在低頻、低負(fù)載條件下的可靠性，并容易帶來更大的輸出轉(zhuǎn)矩?fù)Q相脈動。本專利提出了一種補償算法，用以解決死區(qū)時間帶來的負(fù)面影響。
如圖6所示，以逆變器A相橋臂為例，詳細(xì)分析了SVPWM死區(qū)效應(yīng)及其補償方法。圖6中(a)、 (b)為理想的上、下橋臂開關(guān)管觸發(fā)信號，(c)、 (d)為經(jīng)死區(qū)延遲Td和器件開通延時
6Ton、關(guān)斷延時Toff之后的開關(guān)管實際輸出信號，(e)為該相橋臂的輸出電壓波形.陰影部分是上下橋臂都關(guān)斷的安全余量區(qū)間，即兩個開關(guān)管都關(guān)斷的實際死區(qū)時間，為了避免與設(shè)置的死區(qū)時間混淆，在此定義為誤差時間Ter，此區(qū)間的輸出電壓值由負(fù)載電流的方向決定
1) 當(dāng)電流ia為正時，下橋臂二極管D2導(dǎo)通，輸出電壓Uao=-0.5Vdc。
2) 當(dāng)電流ia為負(fù)時，上橋臂二極管D1導(dǎo)通，輸出電壓Uao-0.5Vdc。圖6(e)中的兩條虛線之間的寬度為理想的輸出正脈沖電壓時間，按照電流ia極性不同
分析實際輸出脈沖電壓與理想給定脈沖電壓的寬度差值為
1) 當(dāng)電流ia為正時，實際正脈沖寬度比理想給定脈沖寬度窄，減少的時間為
Ter = Td+Ton-Toff (1)式中Td為死區(qū)時間；Ton、 Toff為器件的開通和關(guān)斷時間；Ter為輸出電壓實際脈寬與理想脈寬的誤差時間。
2) 當(dāng)電流ia為負(fù)時，實際正脈沖寬度比理想給定正脈沖寬度寬，增加的時間也為
對于其他兩相逆變器輸出電壓脈寬，同樣具有上述關(guān)系。因此只需要在三相P麗的輸出占空比中，根據(jù)相電流的正負(fù)號，加入或減少誤差時間Ter，就能解決死區(qū)效應(yīng)，同時也改善了死區(qū)時間對直流母線單電阻電流采樣的效果。
實施例二逆變器下橋臂三電阻式相電流采樣
如圖7所示，本實施例通過在逆變器每一相的下橋臂輸出端各自串聯(lián)一個采樣電阻R1、R2、 R3，在下橋臂流過電機(jī)的負(fù)載電流時，可以直接采樣得到電機(jī)的三相負(fù)載電流信息。同樣這三個采樣電阻也兼顧了IPM功率模塊的過流保護(hù)功能。與實施例一相比，實施例二軟件實現(xiàn)相對容易，采樣算法簡單，且對死區(qū)效應(yīng)不敏感，但硬件成本相對稍高。
本實施例同樣采用上面提到的空間矢量PWM調(diào)制算法，其原理與方法同實施例一。
與實施例一一樣，定義開關(guān)變量取0或1兩種狀態(tài)，其中1表示上橋臂功率開關(guān)器件導(dǎo)通；0表示下橋臂功率開關(guān)器件導(dǎo)通。則有圖4中表格所示的8種逆變器開關(guān)狀態(tài)。其中，(Sa， Sb， Sc) = (0, 0， O)和(Sa, Sb， Sc) = (1， 1， l)時，逆變器輸出電壓為零，于是將逆變器的這兩種開關(guān)狀態(tài)定義為零狀態(tài)，而將其余6種狀態(tài)定義為有效狀態(tài)。其中(0，0， 0)即為下橋臂續(xù)流狀態(tài)。
圖8為本發(fā)明變頻器三相電阻電流采樣電路方案電流處于(1， 0， O)狀態(tài)電流向量對應(yīng)的下橋臂續(xù)流狀態(tài)電流走向示意圖。下橋臂電阻R1、 R2、 R3中流過的電流就是電機(jī)A、 B、C三相的負(fù)載電流。其它幾種有效狀態(tài)的下橋臂續(xù)流方式與此類似。
因此，采用三電阻電流采樣電路方案，即能直接獲得電機(jī)的三相電流信息；使得采樣 軟件算法相對簡單，易于編程及控制實施。
技術(shù)關(guān)鍵點如圖8所示，在逆變器的三相下橋臂同時導(dǎo)通、三相上橋臂同時關(guān)斷的情 況下，電機(jī)的三相電流會通過逆變器的三相下橋臂進(jìn)行續(xù)流。這時，流過每相采樣電阻的 電流即為電機(jī)真實負(fù)載相電流。因此只要保證每相電阻的采樣時間都在逆變器下橋臂續(xù)流 的情況下，就能準(zhǔn)確獲得電機(jī)的三相電流信息。
權(quán)利要求
1、一種用于變頻器的電流采樣電路，所述變頻器包括六個開關(guān)管，其特征在于，所述電流采樣電路在其直流母線負(fù)端或所述變頻器的至少二相的下橋臂輸出端串聯(lián)有采樣電阻。
2、 如權(quán)利要求l所述的用于變頻器的電流采樣電路，其特征在于，所述電流采樣電路 僅在其直流母線負(fù)端串聯(lián)有一個采樣電阻。
3、 如權(quán)利要求2所述的用于變頻器的電流采樣電路，其特征在于，所述采樣電阻即為 所述變頻器的過流保護(hù)電阻。
4、 權(quán)利要求l所述的用于變頻器的電流采樣電路，其特征在于，所述電流采樣電路為 在所述變頻器的三相下橋臂輸出端各自串聯(lián)一個采樣電阻。
5、 如權(quán)利要求4所述的用于變頻器的電流采樣電路，其特征在于，所述各自串聯(lián)在所 述三相下橋臂輸出端的三個采樣電阻即為所述變頻器的過流保護(hù)電阻。
6、 如權(quán)利要求1所述的用于變頻器的電流采樣電路的電流采樣方法，其特征在于，通 過串聯(lián)在所述采樣電路上的釆樣電阻，采集流經(jīng)所述采樣電阻的電流信息。
7、 如權(quán)利要求6所述的電流采樣方法，用于如權(quán)利要求2或3所述的電流采樣電路， 其特征在于，通過串聯(lián)在直流母線負(fù)端的采樣電阻，采集直流母線電流信息，再根據(jù)六個 開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)，并結(jié)合空間矢量Pmi調(diào)制算法，進(jìn)而重構(gòu)電機(jī)的三相電流信息。
8、 如權(quán)利要求7所述的用于變頻器的電流采樣電路的電流采樣方法，其特征在于，在 采樣計算過程中還采用一種補償算法，用以解決死區(qū)時間帶來的負(fù)面影響，即在三相PWM 的輸出占空比中，根據(jù)相電流的正負(fù)號，加入或減少誤差時間。
9、 如權(quán)利要求6所述的電流采樣方法，用于如權(quán)利要求4或5所述的電流釆樣電路， 其特征在于，在下橋臂流過電機(jī)的負(fù)載電流時，直接采樣得到電機(jī)的三相負(fù)載電流信息。
全文摘要
一種用于變頻器的電流采樣電路，包括六個開關(guān)管，在其直流母線負(fù)端或變頻器的至少二相的下橋臂輸出端串聯(lián)有采樣電阻；其電流采樣方法通過串聯(lián)在所述采樣電路上的采樣電阻，采集流經(jīng)所述采樣電阻的電流信息。并進(jìn)一步提供二個具體方案，其一電流采樣電路僅在其直流母線負(fù)端串聯(lián)有一個采樣電阻，通過串聯(lián)在直流母線負(fù)端的采樣電阻，采集直流母線電流信息，進(jìn)而重構(gòu)電機(jī)的三相電流信息；其二在所述變頻器的三相下橋臂輸出端各自串聯(lián)一個采樣電阻，直接采樣得到電機(jī)的三相負(fù)載電流信息。本發(fā)明采樣方法簡單，易于在工程上實現(xiàn)，可在任何三相平衡電流的交流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中應(yīng)用。
文檔編號H02M7/44GK101515764SQ200910129999
公開日2009年8月26日 申請日期2009年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月8日
發(fā)明者張和君, 濤 牛, 王和平 申請人:寧波德斯科電子科技有限公司