專利名稱：用于脈寬調(diào)制電機驅(qū)動的電流檢測電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電機矢量控制用的脈寬調(diào)制(PWM)電機驅(qū)動中逆變器電流的檢測，具體而言涉及不用霍爾檢測器來檢測這種電流。
高性能的電機驅(qū)動需要檢測電機電流的波形并反饋給PWM控制器。常用的方法獲取所需電流反饋信號是從與電機繞組串聯(lián)的霍爾式傳感器獲得?；魻栕兯推黧w積大而價格高，因此需要尋找其它方法來實現(xiàn)這種功能。
一種替代的方法是僅僅檢測逆變器輸入電流而不檢測三個輸出電流并利用逆變器中開關(guān)的PWM時序信號來處理這種單一的電流波形以“重建”代表電機電流的三個電流波形。

圖1A示出了這種結(jié)構(gòu)。
但是，從逆變器輸入電流重建電機電流可能達不到電機矢量控制所需的精度。如圖1B所示，給定電機相位內(nèi)的電流只能在逆變器開關(guān)八個可能狀態(tài)中的兩個精確確定。重建電機電流波形的丟失片斷可以“反計算”(calculate back)得到，但是不具備總精度。
另一向矢量控制提供所需精度的方法是從由串聯(lián)每個下部三個逆變器開關(guān)的電流觀察電阻器20-22獲取的信號中重建電機電流波形。圖2A示出了這種結(jié)構(gòu)。
如圖2B所示，這種結(jié)構(gòu)下任何給定電機相位內(nèi)的電流對于逆變器開關(guān)八個可能狀態(tài)中的五個來說是已知的。丟失的片斷可以以足夠的精度“反算”得到。
但是，電流觀察電阻器的缺點是消耗一定的功率。而且，隨著驅(qū)動功率的增加，由于電感-電阻(L/R)比增大，所以電流觀察電阻器兩端的噪聲尖峰也增加。需要采用濾波器來去除噪聲尖峰，而這延緩了響應(yīng)并增加了故障反應(yīng)時間。另一缺點是電流觀察電阻器不提供隔離的信號。基于上述這些原因，超過某一電機電流采用電流觀察電阻器是不現(xiàn)實的。
按照本發(fā)明，提供了利用普通a-c電流互感器或者Rogowski磁通量檢測線圈來檢測各的逆變器開關(guān)電流的新穎結(jié)構(gòu)。由于無需任何磁心材料，所以后一解決方案具有特別的吸引力。
上述每個方案都避免采用霍爾式傳感器，基本上是無耗的，并提供了隔離的快速反饋信號。上述概念將電流檢測單元的操作性能與PWM逆變器的操作性能較好的結(jié)合起來。通過將電流檢測單元的操作模式歸并到逆變器的操作模式中，可以在任何逆變器輸出頻率(包括零)下輸出代表開關(guān)電流的隔離電流信號。當(dāng)采用基本電流檢測單元作為單獨的單元時，繞開了其固有的低頻限制的難題。
通過以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的描述可以進一步理解本發(fā)明的其它特點和優(yōu)點。
結(jié)合以下附圖對本發(fā)明作更詳細(xì)的描述圖1A示出了檢測逆變器輸入電流的已知結(jié)構(gòu)；而圖1B示出了當(dāng)如圖1A所示檢測逆變器輸入電流輸出電流時為已知的可能的逆變器開關(guān)狀態(tài)。
圖2A示出了檢測三個各別的個逆變器輸入電流的已知結(jié)構(gòu)；以及圖2B示出了輸出相電流為已知的可能的逆變器開關(guān)狀態(tài)。
圖3A為按照本發(fā)明實施例的采用a-c電流互感器檢測逆變器開關(guān)電流的電路圖；以及圖3B為圖3A所示電路的時序圖。
圖4A為按照本發(fā)明實施例的采用Rogowski線圈檢測逆變器開關(guān)電流的電路圖；以及圖4B為圖4A所示電路的時序圖。
圖5為圖3A電路用于全電機電流檢測的電路圖。
圖6為圖4A電路用于全電機電流檢測的電路圖。
圖3A示出了按照本發(fā)明的采用a-c電流互感器檢測逆變器開關(guān)電流的第一較佳實施例。圖3B示出了相關(guān)的電流和電壓波形。
當(dāng)相關(guān)的IGBT逆變器開關(guān)34導(dǎo)通時，逆變器開關(guān)電流流經(jīng)互感器32的初級繞組。電流互感器32隨后運行在正常狀態(tài)下以通過次級繞組提供輸出信號，該信號正比于任一逆變器電流極性的逆變器開關(guān)34內(nèi)的電流(即經(jīng)過IGBT34A或二極管34B的電流)。雖然互感器32與逆變器開關(guān)的輸出端相連，但是當(dāng)與輸入端相連時互感器也提供相似的輸出信號。
當(dāng)逆變器開關(guān)34關(guān)斷時，a-c開關(guān)37和38將信號生成電阻器39從圖3B所示脈寬調(diào)制(PWM)時序信號驅(qū)動的互感器32的輸出端斷開。PWM信號還驅(qū)動逆變器開關(guān)。當(dāng)逆變器開關(guān)34關(guān)斷時，由于根據(jù)定義在此期間沒有逆變器開關(guān)電流，所以斷開電阻器39不危及電阻兩端的信號。
在關(guān)斷期間，互感器次級繞組內(nèi)的磁化電流由一對箝位Zener二極管35和36兩端的逆行(flyback)電壓驅(qū)動至零。Zener二極管比較好的是擊穿電壓明顯大于電阻39上的普通信號電壓以便即使當(dāng)關(guān)斷時間遠(yuǎn)小于導(dǎo)通時間時也能在開關(guān)關(guān)斷期間完成磁通量清零。但是如果關(guān)斷時間短暫到無法完成磁通量清零，則由于在隨后較長的關(guān)斷間隔內(nèi)將進行充分的清零，所以短暫的清零時間實際上無關(guān)緊要。
在上述電路中，電流互感器對于每個新的開關(guān)電流片斷更新和處于準(zhǔn)備狀態(tài)，磁通量基本為零。這樣，代表開關(guān)電流的單向輸出信號的連續(xù)序列可以形成于電阻器39兩端，而電流互感器32磁心中的磁通量保持遠(yuǎn)低于磁飽和數(shù)值的狀態(tài)，如圖3B所示。
圖4A示出了采用Rogowski線圈來檢測逆變器開關(guān)電流的第二較佳實施例。這里，Rogowski線圈與逆變器開關(guān)的輸出端相連，但是也可以與輸入端相連。Rogowski線圈42基本上是一個空氣心線圈磁通量檢測器并輸送正比于逆變器44提供的初級電流di/dt的輸出電壓。隨后采用包括運算放大器47、電阻器48和電容器46在內(nèi)的積分器41來提供代表逆變器開關(guān)電流的信號。
從原理上講，如果積分器41是理想的并且沒有偏離或漂移，則積分器將提供嚴(yán)格正比于逆變器開關(guān)電流的連續(xù)輸出信號。但是在實踐中偏離和漂移是不可避免的并且當(dāng)允許積分器自由振蕩時將在積分器中在低輸出頻率處引起無法接受的誤差。
第二實施例的優(yōu)點是通過在相關(guān)的逆變器開關(guān)關(guān)斷期間利用復(fù)位裝置45將積分器的輸出清零并保持為零克服了這個難題。由于在任何情況下積分器輸出都應(yīng)該在這段時間內(nèi)為零，所以積分器的每次清零都提供了小而明顯的校正動作以將積分器重新校正并“保持真實狀態(tài)”。
這樣，即使當(dāng)逆變器輸出頻率為零時，也不會有積分器漂移。于是積分器的輸出為逆變器開關(guān)元偏備的真實重現(xiàn)。
圖3所示結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是，與采用霍爾變送器相比，實現(xiàn)起來更為容易并且提供了小型電路和便宜的解決方案。
而且，圖4所示的結(jié)構(gòu)吸引人之處在于不采用磁心。與電流互感器相比，Rogowski線圈的制造更為簡單和便宜，并且在機械上更容易與小型電機控制器驅(qū)動電源組件兼容。
Rogowski線圈可以纏繞在直線柔性非磁模子上。隨后取下整個線圈并沿初級導(dǎo)體彎曲。
比較好的是采用帶快速轉(zhuǎn)換速的優(yōu)質(zhì)積分器。
圖5和6示出了圖3和4所示實施例如何可以分別加以擴展以提供對電機電流的全檢測。圖5示出了采用圖3所示檢測電路的改進，其中使用了a-c電流互感器，而圖6示出了采用圖4檢測電路的改進，其中使用了Rogowski線圈。
如圖5所示，各檢測電路被用于橋臂的上下IGBT逆變器開關(guān)50和52。當(dāng)逆變器開關(guān)50導(dǎo)通時，電流經(jīng)過互感器54的初級繞組，其次級繞組向信號生成電阻器68提供正比于逆變器開關(guān)50內(nèi)電流的輸出信號。當(dāng)輸送給上IGBT逆變器開關(guān)50的PWM信號關(guān)斷時由a-c開關(guān)64和66將該信號與電阻器68斷開。
類似地，當(dāng)下逆變器開關(guān)52導(dǎo)通時，電流經(jīng)過互感器56的初級繞組，并且互感器56經(jīng)次級繞組向電阻器68提供正比于相關(guān)的逆變器開關(guān)內(nèi)電流的輸出信號。當(dāng)輸送給下IGBT逆變器開關(guān)52的PWM信號關(guān)斷時由a-c開關(guān)60和62將該信號與電阻器68斷開。兩個檢測電路的輸出由此組合起來在該臂輸出端一模一樣地再現(xiàn)了電機電流。
如上所述，圖6所示的電路將Rogowski線圈檢測電路用于橋臂的上下IGBT逆變器開關(guān)70和72。這里Rogowski線圈74提供正比于由上逆變器開關(guān)70輸送的初級電流di/dt的輸出電壓，Rogowski線圈76提供下逆變器開關(guān)72的模擬輸出電壓。由運算放大器88、電容器84和電阻器86構(gòu)成的積分器用來提供代表上逆變器開關(guān)電流的信號，而由運算放大器89、電容器85和電阻器87構(gòu)成的積分器用來提供與下逆變器開關(guān)電流相應(yīng)的信號。復(fù)位電路82和83在上下逆變器開關(guān)70和72輸送的PWM信號處于關(guān)斷期間保持積分器的輸出為零。兩個積分器的輸出隨后輸送至由運算放大器90和電阻器91、92以及93構(gòu)成的求和放大器電路以在該臂的輸出端一模一樣地再現(xiàn)電機電流。
按照本發(fā)明，3相逆變器橋的三個橋臂可以采用如圖5或6所示的類似檢測電路。三個臂中的兩個也可以采用第三臂電流被重建為另外兩個之和的檢測電路。后一結(jié)構(gòu)需要差動變壓器或者其它裝置以在需要接地電流故障值時檢測第三臂中的接地故障電流。
雖然上面對本發(fā)明通過特殊的實施例作了描述，但本領(lǐng)域內(nèi)普通技術(shù)人員無需創(chuàng)造性勞動即可完成對本發(fā)明的修改或改進，因此本發(fā)明不由這里的特殊的揭示由后面所附權(quán)利要求書限定。
權(quán)利要求
1.一種檢測逆變器開關(guān)電流的電路，逆變器開關(guān)具有與一有關(guān)電源端和公共端相連的輸入端并具有輸出端，逆變器開關(guān)響應(yīng)于控制信號，其特征在于所述電路包括電流互感器，具有與所述逆變器開關(guān)輸入端和輸出端之一耦合的初級繞組和產(chǎn)生正比于逆變器開關(guān)電流的輸出信號的次級繞組；與所述互感器的所述次級繞組耦合的電阻器；以及串聯(lián)耦合在所述次級繞組與所述電阻器之間并響應(yīng)于所述控制信號以在所述逆變器開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)時斷開所述電阻器的a-c開關(guān)。
2.如權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于進一步包括箝位電路，用來在所述逆變器電路處于關(guān)斷狀態(tài)時驅(qū)動磁通量和所述次級繞組兩端的電壓基本為零。
3.一種逆變器電路，其特征在于包括響應(yīng)于控制信號的逆變器開關(guān)，具有與所述一有關(guān)電源端和所述公共端耦合的輸入端并具有輸出端；以及如權(quán)利要求1所述的檢測電路，其中所述逆變器開關(guān)為MOS柵極控制半導(dǎo)體器件和IGBT中的一種。
4.一種檢測逆變器開關(guān)電流的電路，逆變器開關(guān)具有與一有關(guān)電源端和公共端相連的輸入端并具有輸出端，逆變器開關(guān)響應(yīng)于控制信號，其特征在于所述電路包括磁通量傳感器，具有與所述逆變器開關(guān)輸入端和輸出端之一耦合的初級端和產(chǎn)生正比于逆變器開關(guān)輸出電流di/dt的輸出電壓的次級端；與所述次級繞組耦合以產(chǎn)生正比于逆變器開關(guān)電流的信號的積分器；以及復(fù)位電路，用來在所述控制信號關(guān)斷所述逆變器開關(guān)時使所述積分器輸出清零并保持為零。
5.如權(quán)利要求4所述的電路，其特征在于所述磁通量傳感器為Rogowski線圈。
6.一種逆變器電路，其特征在于包括響應(yīng)于控制信號的逆變器開關(guān)，具有與所述一有關(guān)電源端和所述公共端耦合的輸入端并具有輸出端；以及如權(quán)利要求4所述的檢測電路，其中所述逆變器開關(guān)為MOS柵極控制半導(dǎo)體器件和IGBT中的一種。
7.一種檢測由第一和第二逆變器開關(guān)構(gòu)成的一逆變器橋臂內(nèi)輸出電流的電路，所述第一逆變器開關(guān)響應(yīng)于第一控制信號而且具有與一有關(guān)電源端和公共端相連的輸入端并具有輸出端，所述第二逆變器開關(guān)響應(yīng)于第二控制信號而且具有與另一所述電源端和公共端相連的輸入端并具有輸出端，其特征在于所述電路包括第一電流互感器，具有與所述第一逆變器開關(guān)輸入端和輸出端之一耦合的初級繞組和產(chǎn)生正比于所述第一逆變器開關(guān)電流的輸出信號的次級繞組；與所述變壓器的所述次級繞組的一端耦合的電阻器；串聯(lián)耦合在所述第一互感器所述次級繞組另一端與所述電阻器之間并響應(yīng)于所述第一控制信號以在所述第一逆變器開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)時將所述電阻器與所述第一互感器斷開的第一a-c開關(guān)；第二電流互感器，具有與所述第二逆變器開關(guān)輸入端和輸出端之一耦合的初級繞組和產(chǎn)生正比于所述第二逆變器開關(guān)電流的輸出信號的次級繞組；與所述第二變壓器的所述次級繞組耦合的所述電阻器；以及串聯(lián)耦合在所述第二互感器所述次級繞組另一端與所述電阻器之間并響應(yīng)于所述第二控制信號以在所述第二逆變器開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)時將所述電阻器與所述第二變壓器斷開的a-c開關(guān)；
8.一種檢測由第一和第二逆變器開關(guān)構(gòu)成的逆變器橋臂內(nèi)輸出電流的電路，所述第一逆變器開關(guān)響應(yīng)于第一控制信號而且具有與一有關(guān)電源端和公共端相連的輸入端并具有輸出端，所述第二逆變器開關(guān)響應(yīng)于第二控制信號而且具有與另一電源端和公共端相連的輸入端并具有輸出端，其特征在于所述電路包括第一磁通量傳感器，具有與所述第一逆變器開關(guān)輸入端和輸出端之一耦合的初級端和產(chǎn)生正比于所述第一逆變器開關(guān)電流di/dt的第一輸出電壓的次級端；與所述第一磁通量傳感器的所述次級繞組耦合以產(chǎn)生正比于所述第一逆變器開關(guān)電路的信號的第一積分器；第一復(fù)位電路，用來在所述第一控制信號關(guān)斷所述第一逆變器開關(guān)時使所述第一積分器輸出清零并保持為零；第二磁通量復(fù)位器，具有與所述第二逆變器開關(guān)輸入端和輸出端之一耦合的初級端和產(chǎn)生正比于所述第二逆變器開關(guān)電流di/dt的第二輸出電壓的次級端；與所述第二磁通量復(fù)位器的所述次級繞組耦合以產(chǎn)生正比于所述第二逆變器開關(guān)電路的信號的第二積分器；第二復(fù)位電路，用來在所述第二控制信號關(guān)斷所述第二逆變器開關(guān)時使所述第二積分器輸出清零并保持為零；以及將所述第一和第二積分器的輸出組合起來的組合電路。
全文摘要
一種檢測逆變器開關(guān)電流的電路,逆變器開關(guān)具有與電源端和公共端相連的輸入端并具有輸出端,逆變器開關(guān)響應(yīng)于控制信號,其特征在于所述電路包括:電流互感器,具有與所述逆變器開關(guān)輸入端和輸出端耦合的初級繞組和產(chǎn)生正比于逆變器開關(guān)電流的輸出信號的次級繞組;與所述互感器的所述次級繞組耦合的電阻器;以及串聯(lián)耦合在所述次級繞組與所述電阻器之間并響應(yīng)于所述控制信號以在所述逆變器開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)時斷開所述電阻器的a－c開關(guān)。
文檔編號H02P21/00GK1193842SQ9810575
公開日1998年9月23日 申請日期1998年3月19日 優(yōu)先權(quán)日1997年3月19日
發(fā)明者B·R·佩里 申請人:國際整流器有限公司