CN104753324B - 避免输入滤波器谐振的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种避免PWM开关调制驱动器中输入滤波器谐振的装置和方法。所述装置，包括：共模电流传感器（10），感测输入共模电流（Icm）；模数转换器A/D（20），将感测到的输入共模电流（Icm）转换成数字信号；以及微控制器MCU（30），将来自模数转换器A/D20的输入共模电流（Icm）的数字值与阈值进行比较，根据比较结果，减小逆变器的开关频率（Fsw），使得逆变器的开关频率（Fsw）小于输入滤波器的共模谐振频率（Fc），以使得输入滤波器避开谐振。

Description

避免输入滤波器谐振的装置及方法
技术领域
本发明一般地涉及一种用于避免输入滤波器谐振的装置及方法。更具体地，涉及一种避免PWM开关调制驱动器输入滤波器在驱动器的开关频率范围内发生谐振的装置及方法。
背景技术
电动机的驱动器通常是对输入的市电或工业用电进行滤波、整流、逆变处理来得到驱动电动机所需的具有合适电压、频率的驱动源。其中在驱动器的输入部分需要接入输入滤波器以满足EMC方面的要求，在驱动器的逆变处理中通常使用PWM的高开关频率的逆变调整来获得合适的驱动源。
图1示出了驱动器的输入滤波器。图2示出了驱动器输入滤波器的共模电流路径。
参见图1，L1是共模电感器，也称为共模扼流圈，其具有漏电感Ldiff以及共模电感Lcm。其中的X电容器Cxa、Cxb与L1的漏电感Ldiff一起构成π型差模滤波器，漏电感Ldiff的电感量非常小，大约为共模电感Lcm的1%～5%，因此差模滤波器的谐振频率非常高，超出了驱动器的逆变处理所使用的PWM调制中的开关频率，驱动器的逆变处理所使用的PWM调制的开关频率通常为2kHz～16kHz。
共模电感Lcm与Y电容器Cy、电动机寄生电容Cm、电缆寄生电容Cc一起构成共模滤波器，共模电感Lcm的电感量一般在0.2uH～15mH的范围内，共模滤波器的谐振频率较低，并且共模滤波器的谐振频率还取决于电动机的电缆长度以及电动机寄生电容，因此，共模滤波器的谐振频率Fc多数情况下处于驱动器的逆变处理所使用的PWM调制中的开关频率范围之内。
当根据客户应用情况改变电动机电缆长度时，电缆寄生电容Cc也随着改变，因此共模滤波器的谐振频率Fc将随着改变，并且共模滤波器的谐振频率Fc也会因为共模扼流圈L1的例如±30%的容差而改变。
由于Y电容器Cy与电动机寄生电容Cm、电缆寄生电容Cc相比较小，可以忽略不计，所以我们可以得到共模滤波器的谐振频率Fc为：
共模滤波器的谐振频率Fc是处于一个范围之内，而不是一个固定值。
图2示出了驱动器输入滤波器的共模电流路径。参见图2，当共模滤波器的谐振频率Fc与驱动器的逆变处理所使用的PWM调制中的开关频率Fsw相等时，输入滤波器将会发生谐振，产生很大的共模电流Icm，从而导致共模扼流圈L1铁芯饱和，使得输入滤波器丧失滤除噪声的功能，并且共模电流Icm也会增大，共模电流Icm会流入为驱动器供电的供电电源，从而造成EMC干扰。其中图1、2中的IT jumper（跳线）相当于一个开关，当它闭合时Y电容器Cy会接入滤波器，提供一个共模电流的通路，当它断开时，Y电容器Cy被断开，所有的共模电流都会通经输入电源。
本发明的目的就是监视输入共模电流以通过调整上述开关频率来避免输入滤波器谐振，从而改善电动机的驱动器在不同应用中的EMC鲁棒性。
发明内容
根据本发明的一方面，提供了一种避免PWM开关调制驱动器中输入滤波器谐振的装置，包括：共模电流传感器，感测输入共模电流；模数转换器A/D，将感测到的输入共模电流转换成数字信号；以及微控制器MCU，将来自模数转换器A/D20的输入共模电流的数字值与阈值进行比较，根据比较结果，减小逆变器的开关频率，使得逆变器的开关频率小于输入滤波器的共模谐振频率，以使得输入滤波器避开谐振。
其中，共模电流传感器使用电流互感器。
其中，共模电流传感器套装在驱动器的整流桥和输入滤波器之前的电缆上。
其中，微控制器MCU是与驱动器共用的微控制器MCU。
其中，阈值为输入共模电流的最大值的3倍，输入共模电流的最大值是指驱动器正常工作、输入滤波器没有谐振时输入共模电流的最大值。
其中，共模电流传感器安置在驱动器的功率路径上，模数转换器A/D和微控制器MCU安置在驱动器的控制部分电路中。
根据本发明的另一方面，提供了一种避免PWM开关调制驱动器中输入滤波器谐振的方法，包括：感测输入共模电流；将所感测的输入共模电流与一阈值进行比较；根据比较结果，减小逆变器的开关频率，使得逆变器的开关频率小于输入滤波器的共模谐振频率，以使得输入滤波器避开谐振。
其中所述比较步骤包括：如果所感测的输入共模电流小于阈值，则返回感测输入共模电流；如果将所接收的输入共模电流大于等于阈值，则逐步降低驱动器的逆变部分PWM调制的开关频率，直到以特定次数感测的输入共模电流均小于阈值为止。
其中，阈值为输入共模电流的最大值的3倍，输入共模电流的最大值是指驱动器正常工作、输入滤波器没有谐振时输入共模电流的最大值，特定次数为5次。
附图说明
通过以下仅作为示例的并且结合附图的所写描述，对于本领域一位技术人员来说，本发明的示例实施例将更好理解并且更明显，附图中：
图1示出了电动机驱动器的输入滤波器。
图2示出了电动机驱动器的输入滤波器的共模电流路径。
图3示出了根据本发明的避免输入滤波器谐振的装置的结构图。
图4示出了根据本发明的避免输入滤波器谐振的方法的工作流图。
图5示出了本发明的仿真电路图。
图6、7、8示出了调整驱动器的逆变部分的PWM调制的开关频率Fsw的三种情况的仿真结果。
具体实施方式
本发明的设计思想是监视输入共模电流来判断输入滤波器的工作状态，并且基于所监视的输入共模电流通过调整上述开关频率来避免输入滤波器谐振，从而改善电动机的驱动器在不同应用中的EMC鲁棒性。
下面通过图3-8来详细说明本发明。
图3示出了根据本发明的避免输入滤波器谐振的装置的结构图。根据本发明的避免输入滤波器谐振的装置包括：采用电流互感器（ZCT）的ZCT传感器10、模数转换器A/D20、微控制器MCU30。
ZCT传感器10套装在电动机驱动器的整流桥和输入滤波器之前的电缆上，用于感测输入共模电流Icm。模数转换器A/D20将感测到的输入共模电流Icm转换成数字信号以提供给微控制器MCU30。微控制器MCU30可以是与驱动器共用的微控制器MCU，如果MCU30检测到所接收的输入共模电流Icm的数字值突然增加，例如大于输入共模电流Icm的最大值的3倍，则MCU30使驱动器的逆变部分的PWM调制的开关频率Fsw降低，从而使得输入滤波器的共模谐振频率Fc大于驱动器逆变部分的PWM调制的开关频率Fsw，进而使输入滤波器避开谐振（饱和）条件，此时，由于脱离了饱和条件，所以输入共模电流Icm会下降，共模扼流圈L1的温度随着下降，当共模扼流圈L1的温度低于其居里温度时，输入滤波器的共模扼流圈L1的磁特性将会恢复，从而避免了输入滤波器丧失滤除噪声的功能。
根据本发明的避免输入滤波器谐振的装置的ZCT传感器10需要安置在电动机驱动器的输入功率路径上，根据本发明的避免输入滤波器谐振的装置的模数转换器A/D20和微控制器MCU30可以安置在电动机驱动器的控制部分电路中。
图4示出了根据本发明的避免输入滤波器谐振的方法的工作流图。
在步骤S41，感测输入共模电流Icm。
在步骤S42，将所感测的输入共模电流Icm与一阈值进行比较，该阈值例如是输入共模电流Icm的最大值的3倍，其中输入共模电流Icm的最大值是指驱动器正常工作、输入滤波器没有谐振时输入共模电流Icm的最大值。如果将所接收的输入共模电流Icm小于阈值，则返回步骤S41；如果将所接收的输入共模电流Icm大于等于阈值，则认为输入滤波器存在谐振，前进到步骤S43。
在步骤S43，使驱动器的逆变部分的PWM调制的开关频率Fsw降低一特定频率，例如0.2kHz，然后前进到步骤S44。
在步骤S44，以例如5次的特定次数感测输入共模电流Icm，然后前进到步骤S45。
在步骤S45，判断以特定次数感测的输入共模电流Icm是否有至少一次的感测值大于阈值，如果是，则返回到步骤S43，继续降低驱动器的逆变部分的PWM调制的开关频率Fsw。如果以特定次数感测的输入共模电流Icm均小于阈值，则在步骤S46结束本方法。
作为示例，图5示出了本发明的仿真电路图，图6、7、8示出了调整驱动器的逆变部分的PWM调制的开关频率Fsw的三种情况的仿真结果。
在图6中，PWM调制的开关频率Fsw=5035Hz，输入滤波器的谐振频率Fc=5035Hz，此时输入滤波器产生谐振，输入共模电流Icm最大值为34.9A，输入共模电流Icm的有效平均值为22.1A。
在图7中，PWM调制的开关频率Fsw=4500Hz，输入滤波器的谐振频率Fc=5035Hz，此时输入滤波器不产生谐振，输入共模电流Icm最大值为23.2A，输入共模电流Icm的有效平均值为10.9A。
在图8中，PWM调制的开关频率Fsw=4000Hz，输入滤波器的谐振频率Fc=5035Hz，此时输入滤波器不产生谐振，输入共模电流Icm最大值为11.7A，输入共模电流Icm的有效平均值为5.7A。
从图6-8的仿真结果可以看出，根据本发明通过调整上述开关频率可以有效地避免输入滤波器的谐振，极大地降低输入共模电流值，从而改善了电动机的驱动器的输入滤波器的EMC鲁棒性。
本发明虽然以电动机驱动器为例进行了说明，显然的是，本发明的应用范围不限于电动器驱动器。
虽然已经如此描述了以上示例实施例，但是将理解可以进行各种修改、替换和/或变化。本领域技术人员将理解，可以对特定实施例进行其他改变和/或修改，而不脱离如宽泛地描述的本发明的精神或范围。因此，无论从哪一点来看都要将本实施例认为是说明性的而不是限制性的。

Claims (10)

1.一种避免PWM开关调制驱动器中输入滤波器谐振的装置，包括：
共模电流传感器(10)，感测输入共模电流(Icm)；
模数转换器A/D(20)，将感测到的输入共模电流(Icm)转换成数字信号；以及
微控制器MCU(30)，将来自模数转换器A/D(20)的输入共模电流(Icm)的数字值与阈值进行比较，根据比较结果，减小逆变器的开关频率(Fsw)，使得逆变器的开关频率(Fsw)小于输入滤波器的共模谐振频率(Fc)，以使得输入滤波器避开谐振。
2.如权利要求1所述的装置，其中
共模电流传感器(10)使用电流互感器。
3.如权利要求1所述的装置，其中
共模电流传感器(10)套装在驱动器的整流桥和输入滤波器之前的电缆上。
4.如权利要求1所述的装置，其中
微控制器MCU(30)是与驱动器共用的微控制器MCU。
5.如权利要求1所述的装置，其中
阈值为输入共模电流(Icm)的最大值的3倍，输入共模电流(Icm)的最大值是指驱动器正常工作、输入滤波器没有谐振时输入共模电流(Icm)的最大值。
6.如权利要求1所述的装置，其中
共模电流传感器(10)安置在驱动器的功率路径上，模数转换器A/D(20)和微控制器MCU(30)安置在驱动器的控制部分电路中。
7.一种避免PWM开关调制驱动器中输入滤波器谐振的方法，包括：
感测输入共模电流(Icm)；
将所感测的输入共模电流(Icm)与一阈值进行比较；
根据比较结果，减小逆变器的开关频率(Fsw)，使得逆变器的开关频率(Fsw)小于输入滤波器的共模谐振频率(Fc)，以使得输入滤波器避开谐振。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述比较步骤包括：
如果所感测的输入共模电流(Icm)小于阈值，则返回感测输入共模电流(Icm)；
如果所接收的输入共模电流(Icm)大于等于阈值，则逐步降低驱动器的逆变部分PWM调制的开关频率(Fsw)，直到以特定次数感测的输入共模电流(Icm)均小于阈值为止。
9.如权利要求7所述的方法，其中
阈值为输入共模电流(Icm)的最大值的3倍，输入共模电流(Icm)的最大值是指驱动器正常工作、输入滤波器没有谐振时输入共模电流(Icm)的最大值。
10.如权利要求8所述的方法，其中
特定次数为5次。
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