CN100426654C

CN100426654C - 一种用于电机控制的精确电流传感器

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Publication number: CN100426654C
Application number: CNB200610097470XA
Authority: CN
Inventors: 陆启建; 陆启湘
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-11-10
Filing date: 2006-11-10
Publication date: 2008-10-15
Anticipated expiration: 2026-11-10
Also published as: CN1976203A

Abstract

本发明提供了一种用于电机控制的精确电流传感器，其特征是它包括：(1)一个信号调整单元，其中包括：一个差分放大器；一个电压参考单元；(2)一个信号传送单元，其中包括：一对双箝位二极管；一个直流电源VCC；一组电容；一对电阻；(3)一个电平移位电路，包含：一个差分放大器，其反馈电阻和输入电阻是同样的值。本发明使电流检测更准确，快速和可靠，传感器的输出准确度得以维持而不论开关频率是20KHz，或更高。

Description

一种用于电机控制的精确电流传感器

一、技术领域

本发明涉及一种用于简化电机控制电路，提高电机控制开关工作频率的传感器装置。更具体地说，本发明涉及的是提高电流传感器在模数转换(简称为AD转换)之前的信号噪声比，使检测精度不受开关频率的影响.，开关频率从现在的20KHz可提高至数倍。

二、背景技术

在涉及到电机控制***性能方面总离不开一个课题，即如何准确及时地得到电机相电流信息。不幸的是，这些相电流信号总是由高电压的开关电源而生成。这个电源电压太高，以致于数字控制单元不能直接处理这些信号，否则会损坏电路。因此有些特别的电流传感器就被开发出来，这些传感器能把高电压处电流信息传递到低电压处的数字信号处理器(简称为DSP)或微控制器(简称为MC)中，同时把高压开关电源和DSP/MC所依赖的低压直流电源隔离开来。

已开发出来的电路可以典型地分成几个功能块，如图1所示。该图只显示了通常是多相中的一相，高压电源由Vbus+和Vbus-所构成，开关元件1和2由电机控制算法来决定何时通还是断，但它们在任何时刻不能同时导通，从开关元件1和2来的电流经分流电阻4流到电机3。

由一个(随开关)浮动的正电源5供电的信号调整器7直接连到分流电阻4，测量单元8测量7的信号输出。因测量单元仍在高电压一側，在低电压电源一側的电机控制单元10不能直接接收8的输出。

为解决上述问题，引进了信号隔离器9，也称它作信号传送器9，因为实际上它同时做这两件事，在信号传送器9之后，从9输出的电压或数据可以被数字处理单元10接受。这种***的缺点是比较复杂和速度慢，精度也受到速度的限制。

一个现有的例子就是IR2277S/IR2177S芯片电路。信号测量是在芯片内的高电压一側进行的，其输出就是代表流经分流电阻的电流大小的低压脉冲寬度调制(PWM)信号。这种方案的缺点之一就是工作频率低，不超过20KHz，另一个缺点是需要额外的外部控制单元来的同步信号(Sync)。当分流电阻上的电流改变到新值时，这个电路需要两个同步周期才能使新输出稳定下来。用这种方法进行信号传递的时间波形图显示在图2。

其中参数为：

Vmax：输入达到饱和前的最高输入电压(约+250mV)；

Vmin：输入达到饱和前的最低输入电压(约-250mV)；

Vin：真正的来自分流电阻的输入电压；

Sync：来自控制单元的低电压同步信号

P0：PWM输出脉冲信号；

Vrh：输出参考最高电压；

Vr1：输出参考最低电压；

OUT：模拟输出电压。

另一个传感器传送电流信息的例子是经由带隔离的数字通讯，例如HP7860，这个芯片电路执行三个任务于一身，即信号调整、信号测量和隔离并传送测量结果。其基本思想由图3来解释。其中13是一个带隔离的调制器(HP7860)，用来把分流电阻的电压转化成数字数据并将依靠其自有的同步信号送出串行同步的数据(10MHz同步时钟)。从HP7860出来的数据信号不能被通常的数字控制单元17接受，所以又提供一种数字接口芯片14，(HPx870)来作为调制隔离器13和数字控制单元17之间的数字接口。因每一个分流电阻通道都需要一个这样的芯片14，总成本就提高了，在多相电机控制中复杂程度增加了。

HP7860另一缺点是分辩率随数据传输速率提高而降低，例如要传输12位精度数据，则传输的延迟是18uS，要求14位精度时延迟达94uS，大大超过一般的开关周期50us＝1/20Khz。

从以上对现有技术的介绍中可以看出，希望有一个从分流电阻4到数字控制单元10之间的更简单的电流检测电路，并能在提高信号检测速度同时保持检测精度。

三、发明内容

1、发明目的：本发明的目的是提供一种电路简单、检测速度快、检测精度高的一种用于电机控制的精确电流传感器。

2、技术方案：一种用于电机控制的精确电流传感器，其特征是它包括：

(1)一个信号调整单元，其中包括：

一个差分放大器；

一个电压参考单元；

(2)一个信号传送单元，其中包括：

一对双箝位二极管；

一个直流电源VCC，来提供足够的电压，使当低位开关元件导通时双箝位二极管能发生箝位作用；

一组电容，来保持电流信息；

一对电阻，来对电容充或放电，并限制流向箝位二极管的电流；

(3)一个电平移位电路，包含：

一个差分放大器，其反馈电阻和输入电阻是同样的值。

其中的输出电路被连到一个模数转换器(AD)，这个AD或是独立的，或是在DSP/MC片内的。

其中的输入电路是连到多相电机控制***的每一相的作为电流敏感器件的分流电阻，每一相需要单独的一个这种电路。

在信号传送单元之前的信号调整单元，信号调整单元中包含了一个差分放大器。

信号调整单元中提供了电压参考单元，来把信号调整单元输入的双极性信号变成单极性输出。

所述信号传送单元，在传送电流信号的同时，隔离高电压区对低电压区的干扰。其中含有一对相同的二极管，来输入从信号调整单元输出的信号。含有一对电阻，来对箝位二极管和保持电流信息的电容提供偏置电压。含有一个、或二个、或三个电容，来保持含电流信息的电压。被充电的电容的电压是输出到电平移位单元去的。由电容和电阻形成的时间常数小于电机的电气时间常数。

在信号传送单元和AD模数转换器之间含有一个电平移位单元。其中含有一个增益为一的差分放大器，来移动信号传送单元来的非零参考电压到模数转换器(AD)输入的参考地。

本发明的设计特点是：把已有电路中的信号测量单元去除掉，这样便简化了电路，降低了成本，给用户选择各样的AD提供灵活性。因为现在的许多DSP/MC都有各式各样的片上模数转换(AD)功能块。

本发明的另一个特点是，提供了一个专用的信号调整单元，它能线性地放大来自分流电阻的电流信号以适合模数转换器(AD)输入范围的需要。例如从几百毫伏放大到几伏，另一个重要功能是在信号传送到低压端之前提高信号噪声比。

本发明的另一个特点是，在信号调整单元中引入一个差分放大器，其输入直接连至分流电阻的两端。

本发明的另一个特点是，当在数字控制器10中的模数转换器(AD)输入范围为单极性或仅正值范围，例如0至3伏，而流过分流电阻上的电流信号是双极性，即有正有负，在差分放大器后面提供了一个电压参考单元，这样就使对应于分流电阻上零电流时的信号调整单元输出为AD转换器输入范围的中值。

本发明的另一个特点是，提供了一种特别的信号传送单元，其中包含一个可称为双箝位器的部件，这个设计可以简化电路的总体设计。

本发明的另一个特点是，在信号传送单元之后提供了一个电平移位器，它的功能是将由于开关元件的导通饱和电压降非零而造成的非零最低输入平移到AD输入的最低值，或零电位。

由于双箝位电路的特性，在开关周期的某些时段内，信号传送单元的输出是跟随信号调整器的输出的，而信号调整单元输出则永远跟着分流电阻上的电流信号，只要根据功率开关元件的状态适当地选择AD转换器的采样时刻在此时段内，则此电流传感器的精度可不受开关频率的限制，例如20Khz，40Khz，60Khz，…。

3、有益效果：本发明提供的电流传感器电路，其中包括了一个放在信号传送单元之前的信号调整单元，在信号传入低电压区之前就提高信号噪声比，使电流检测更准确；它也包含了一个新的信号传送单元，来把高压区调整了的有用信号送入低压电路，同时隔离高压，这样就使电流测量更准确，快速和可靠，传感器的输出准确度由此得以维持而不论开关频率是20KHz，或更高。

四、附图说明

图1是一个代表现有多相电机控制的某一相电流传感器的结构框图。

图2是现有的用于电机控制的相电流传感器芯片-IR2277S/IR2177S的工作波形图。

图3是现有的电流传感器的另一例，HP7860芯片的结构图。

图4是新的精确电流传感器结构框图。

图5是分流电阻/信号调整单元结构图。

图6是用于本发明的新式信号传送器的原理图。

图7是电平移位单元的结构图。

五、具体实施方式

本发明将在以下叙述中用图解来进一步阐述，图中各部件在后面全文中都用它们的编号表示。

根据本发明的特点所作，图4是一种新的精确电流传感器***，本电路***包括分流电阻4，一个信号调整单元19，一个信号传送单元20，和一个电平移位单元21。原来在图1中的信号测量单元8在此设计中被省去，从而简化了电路，降低了成本，也大大地消除了此元件引起的信号延迟。

图5是新传感器***(图4)中信号调整单元19的一种实现，其特点是引入了差分放大器24，来线性地放大从分流电阻来的电流信号。

本发明的另一个特点是，在放大器24中只使用了电阻作为反馈和输入元件，输入电阻接至电机的分流电阻电流通路，这样可以在降低成本时也保持了快速响应，其中的信号有：

U1H和U2H：分流电阻4两端的电压信号；

V2：放大器24的输出；

V1：放大器输出参考点，被连到开关元件2的顶端；

(V2-V1)：信号调整单元23的输出；

(V2-V1)max：输出最大范围。

本发明的另一个特点是，其中提供了一个电压参考单元29，来把信号调整单元输入的双极性信号变成单极性输出。它的输出选为信号调整单元最大输出的一半，即：

\frac{{(V_{2} - V_{1})}_{\max}}{2}

图5中两个反馈电阻27，28的值都等于Rf，而两个输入电阻25，26的值都等于Rin。假定模数转换器(AD)的输入范围是(V2-V1)max，则有：

V_{2} - V_{1} = (U_{2 H} - U_{1 H}) * \frac{R_{f}}{R_{in}} + Voltage Re ference

= (U_{2 H} - U_{1 H}) * \frac{R_{f}}{R_{in}} + \frac{{(V_{2} - V_{1})}_{\max}}{2}

这里的增益应选为：

Gain = \frac{R_{f}}{R_{in}} = \frac{(V_{2} - V_{1}) \max}{2 * (U_{2 H} - U_{1 H}) \max}

例如，(U_2h-U_1h)_max＝0.2V，(V₂-V₁)_max＝3V，R_in＝1.00k，则有：

R_{f} = R_{in} * Gain = R_{in} * \frac{{(V_{2} - V_{1})}_{\max}}{2 * {(U_{2 h} - U_{1 h})}_{\max}} = 1.00 k * \frac{3.0 V}{2 * 0.2 V} = 7.5 k

在图5中，开关电源的正负电压源Vbus+和Vbus-之间可能是数百伏或更高，当开关元件1和2交替通断时，其上的电压降也交替在一个开关周期内时而几百伏，时而饱和到只有一两伏。所以信号调整器的输出参考点V1也随之于一周内在几百伏和几伏之间波动，所以信号V1和V2都不能直接接到传感器中的数字控制单元10去。

本发明的另一个特点是，提供了一种特殊的信号传送电路，来隔离新传感器中含信号调整单元19的高电压区和后面的低电压区的信号，示于图6。

本发明的另一个特点是，图6中包含称为双箝位器的二极管33，34，它们的参数相同，其负端被接到信号调整单元32的输出V1，V2。如果新传感器(图4)中的信号传送单元20的位置放在接近正开关电压Vbus+处，则两个二极管的极性都要反过来接。

本发明的另一个特点是，在图6中提供电容35，36，37来保持电流信息，也提供了电阻38，39来对箝位二极管和保持电流信息的电容提供偏置电压。

本发明的另一个特点是，信号传送单元中的电容上的电压被输出到电平移位单元去，传送单元的电源VCC必须高于V1min和V2min数伏以上，也就是：

[(V2-V1)max+V1min]

V1min是开关元件2的饱和电压降。这样当开关元件2导通而1关断时，信号调整单元32的输出V1、V2也都跌至相对Vbus-只有几伏。信号传送单元的输出信号U1L和U2L通过二极管33、34被箝位至V1和V2。这时U2L电压跟随V2、U1L电压跟随V1，中间只差一个二极管压降。电流信息(U2H-U1H)就这样从分流电阻4传送到了二极管的正极端，即(U2L-U1L)，并保持在电容上。

然而清况并不永远如此，例如当开关元件1导通而2关断时，U2L和U1L并不跟随V2和V1。这时的双箝位二极管由于反偏置电压而截断，(此刻的)高电压V1，V2，U1H，U2H都几乎达到Vbus+，但被33，34隔离，而电流信息(U2L-U1L)则被留在了电容上。

本发明的另一个特点是，由电阻38，39和电容35，36，37之间形成的任何时间常数小于电机的电气时间常数。有的电机控制算法把模数转换(AD)的采样时刻定在开关周期的箝位时段内，这样的情况下时间常数可更小，甚至把电容35，36，37取消。

在另外的算法里，例如采样定在开关元件1导通而2关断的时段，则电容必须保留，电容要保持(U2L-U1L)足够长，直至AD采样到来。

时间常数R1C1(38，37组合)和R2C2(39，36组合)及其它组合的时间常数可以根据DSP/MC中AD采样算法来确定，一般有：

R 1 * C 1 = R 2 * C 2 > \frac{T_{hold}}{5}

T_hold是电容上的电压(U2L-U1L)能保持1％准确性的时段，AD采样应在此时段结束前来到。

当需要T_hold时，三个电容35，36，37中的任何两个就足以完成以上任务。

从电路安全着眼，双箝位二极管的反向耐压值要高于开关电源电压，电路过程产生的各种浪涌和瞬冲电压值。

根据本发明的另一个特点，提供了一个电平移位单元(图7)。当信号U1L跟随图6中的信号调整单元32的输出最低值V1min时，V1min实际上是开关元件2的饱和压降，大小也就是几伏，不是零。模数转换器(AD)的输入参考点是固定值，比如说相对于接地点的零伏。电平移位单元可把任何由开关元件饱和压降非零带来的非零值参考点移到AD转换器的参考点。

根据本发明的另一个特点，在电平移位单元中提供了一个差分放大器42。其所有的输入电阻和反馈电阻的值都一样，等于R。所以其增益是一，有：

(Vad2-Vad1)＝(U2L-U1L)

根据本发明的另一个特点，把放大器输出参考点Vad1直接连至AD转换器的输入参考点ADC_GND。

Claims

1、一种用于电机控制的精确电流传感器，其特征包括：

(1)一个信号调整单元，其中包括：

一个差分放大器；

在上述差分放大器后设有一个电压参考单元；

(2)在上述信号调整单元后设有一个信号传送单元，该信号传送单元包括：

一对双箝位的二极管，输入从所述信号调整单元输出的信号；

一组电容，来保持电流信息；

一对电阻，来对双箝位二极管和所述保持电流信息的电容提供偏置电压，对电容充电或放电，并限制流向双箝位二极管的电流；

(3)在上述信号传送单元后设有一个电平移位电路，该电平移位电路包含：

另一差分放大器，来移动信号传送单元来的非零参考电压到模数转换器输入的参考地，其反馈电阻和输入电阻是同样的值。

2、根据权利要求1所述的精确电流传感器，其特征是电平移位电路的输出端被连接到一个模数转换器，这个模数转换器或是独立的，或是在DSP/MC片内的。

3、根据权利要求1所述的精确电流传感器，其特征是信号调整单元的输入电路是连接到多相电机控制***的每一相的作为电流敏感器件的分流电阻，每一相需要单独的一个这种信号调整单元的输入电路。

4、根据权利要求1所述的精确电流传感器，其特征是所述信号传送单元，在传送电流信号的同时，隔离高电压区对低电压区的干扰。

5、根据权利要求4所述的精确电流传感器，其特征是所述信号传送单元内含有一个、或两个或三个电容，来保持含电流信息的电压。

6、根据权利要求4所述的精确电流传感器，其特征是被充电的电容的电压是输出到电平移位电路去的。

7、根据权利要求4所述的精确电流传感器，其特征是由所述信号传送单元内的电容和电阻形成的时间常数小于电机的电气时间常数。