CN113848365B - 一种高带宽测量电机相电流的电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高带宽测量电机相电流的电路，该电路能够解决电机驱动电路在生成脉宽调制信号时，由于大幅值共模信号的阶跃变化所产生的被测信的干扰和不稳定，使得小幅值的被测信号在极短时间内，能够快速而显著的抑制共模干扰，并保持信号的稳定性，避免由于突变阶跃影响带来的时间延迟，大大提升电流测量的速率，从而提高***测量突变阶跃电流的带宽，本发明中的电路使用低成本的运算放大器为核心电子器件，实现上述功能，其实现方法简单，灵活高效。

Description

一种高带宽测量电机相电流的电路

技术领域

本发明涉及直流无刷电机相电流的测量电路，尤其涉及一种高带宽、高速率、快速响应的电机相电流的测量电路。

背景技术

无刷直流电机在我国的发展时间虽然短暂，但随着技术的日益成熟和完善，得到了迅猛的发展，已经在航模、医疗器械、家用电器、电动车、航天航空等多个领域得到广泛的应用。近几年，无刷直流电机由于产能的提升和价格的下降，也在逐渐进入其他领域，正在不断进入生产生活中各个应用场景中。同时，对无刷直流电机的设计指标和性能参数的要求越来越高，通过不断优化电机的设计，来达到更精确的力矩控制、更高精度的相电流测量、更准确的电机转速控制等的目的，但是往往会忽略了相电流测量的速率，甚至是***测量相电流的带宽参数，在一些要求高性能的领域，如航天航空领域，测量相电流的高带宽要求，显得非常重要。

发明内容

为了提升测量相电流的速率，提高***测量相电流的带宽性能，本发明在现有技术基础上，引入了信号共模抑制模块，可以有效提高相电流的测量速率，提出了一种高带宽测量电机相电流的电路。

一种高带宽测量电机相电流的电路，包括：相电流反馈信号的采集模块、信号共模抑制模块和采集信号的处理和计算模块，所述的信号共模抑制模块接于所述的相电流反馈信号的采集模块的输出端，所述的采集信号的处理和计算模块接于所述的信号共模抑制模块的输出端。

作为优选，所述相电流反馈信号的采集模块包括第一电阻，所述的第一电阻一端连接电机驱动信号，另一端连接负载，电机驱动信号给第一电阻发送信号a，第一电阻给负载发送信号b。

作为优选，所述信号共模抑制模块包括第一运算放大器、第一电容、第二电阻、第三电阻和第四电阻；所述的第一电容一端连接信号a，另一端连接第一运算放大器的正输入端；所述的第二电阻一端连接信号a，另一端连接第一运算放大器的负输入端；所述的第三电阻一端连接地信号，另一端连接第一运算放大器的正输入端；所述的第四电阻一端连接第一运算放大器的负输入端，另一端连接第一运算放大器的输出端。

作为优选，所述的信号共模抑制模块还包括第二运算放大器、第二电容、第五电阻、第六电阻和第七电阻，所述的第二电容一端连接信号b，另一端连接第二运算放大器的正输入端；所述的第五电阻一端连接信号b，另一端连接第二运算放大器的负输入端；所述的第六电阻一端连接地信号，另一端连接第二运算放大器的正输入端；所述的第七电阻一端连接第二运算放大器的负输入端，另一端连接第二运算放大器的输出端。

作为优选，所述采集信号的处理和计算模块包括处理器、第三运算放大器、第八电阻、第九电阻和第十电阻；所述的第九电阻一端连接第一运算放大器输出信号，另一端连接第三运算放大器的负输入端；所述的第八电阻一端连接第二运算放大器输出信号，另一端连接第三运算放大器的正输入端；所述的第十电阻一端连接第三运算放大器的负输入端，另一端连接第三运算放大器的输出端；所述的第三运算放大器的输出端连接处理器的模拟数字转换接口。

本发明所述的一种高带宽测量电机相电流的电路，采用了信号共模抑制模块，保证第一运算放大器输出信号、第二运算放大器输出信号和电流反馈信号不会受到信号a和信号b的突变阶跃共模干扰而带来的不稳定，避免带来的时间延迟，大大提升电流测量的速率，从而提高***测量电流的带宽。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1 为本发明电路的模块设计框图；

图2 为本发明中相电流反馈信号的采集模块原理图；

图3 为本发明中信号a的共模抑制模块原理图；

图4 为本发明中信号b的共模抑制模块原理图；

图5 为本发明中采集信号的处理和计算模块原理图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的电路实现包括：相电流反馈信号的采集模块、信号共模抑制模块和采集信号的处理和计算模块，各模块之间的连接关系如图1所示，相电流反馈信号的采集模块能够采集到电机线圈驱动信号的电压信号；信号共模抑制模块能够保证采集到的电压信号不受突变阶跃的共模干扰，在极短时间内使得电压信号保持稳定，进而保证采集到的电压信号处于真实有效的状态；采集信号的处理和计算模块能够第一时间采集到真实有效的电压信号，并对电压信号进行预处理，保证可以让处理器的模拟数字转换接口处理和计算，并得到相电流值，实现了相电流的快速测量，提升***测量相电流的带宽。

所述的相电流反馈信号的采集模块，电路设计由第一电阻组成，如图2所示，工作原理为：电机驱动信号连接负载（电机线圈），为电机正常工作提供所需的电流信号，由于无刷直流电机各相驱动信号的时序要求，驱动信号必须不断在高低电平间切换，不同电机要求的高电平电压值也不同，通常来说，高电平的电压幅值在30伏，低电平的电压幅值为0伏；为了采集电流信号，将第一电阻***到驱动电路中，即第一电阻一端连接电机驱动信号，另一端连接负载（电机线圈），这时由于驱动电路中的电流流经第一电阻，因此，在第一电阻两端产生了信号a和信号b，作为信号共模抑制模块的输入信号，通过两端电压的差值，来计算相电流大小，实现电流反馈的功能，信号a和信号b的关系式为：

信号a电压值 – 信号b电压值 = 相电流值 * 第一电阻电阻值；

所述的信号共模抑制模块，电路设计由第一运算放大器、第一电容、第二电阻、第三电阻和第四电阻组成，如图3所示，工作原理为：

情况1：当电机驱动信号为低电平（电压幅值为0伏）时，即信号a为低电平，由于第三电阻和地信号（电压幅值为0伏）的存在，使得第一运算放大器的正输入端和负输入端的电压的幅值为0伏，此时，第一运算放大器输出端的第一运算放大器输出信号的幅值也为0伏，即第一运算放大器输出信号的幅值 = 0伏；

情况2：当电机驱动信号由低电平转换成高电平（电压幅值由0伏突变阶跃到30伏）时，信号a也随着电机驱动信号由低电平转换成高电平，突变阶跃的信号a分别通过第一电容和第二电阻到达第一运算放大器的正输入端和负输入端，此时第二电阻、第四电阻和第一运算放大器组成了差分运算放大电路（差分运算放大电路的功能是将正输入端和负输入端信号的电压幅值相减后，按照一定倍数放大，此电路中放大倍数为：第四电阻/第二电阻），由于正输入信号和负输入信号在整个过程中，保持一致的变化，即正输入端和负输入端的电压幅值的差值为0伏，所以第一运算放大器的输出端的第一运算放大器输出信号的幅值为0伏，即第一运算放大器输出信号的幅值 = 0伏；

情况3：当电机驱动信号为高电平（电压幅值为30伏）时，信号a为高电平，此时信号a通过第二电阻到达第一运算放大器的负输入端，而无法通过第二电容到达第一运算放大器的正输入端（信号a为直流固定不变的电平，而电容有隔离直流电平的作用），此时第一运算放大器、第二电阻、第三电阻和第四电阻组成了反向放大电路，将信号a转换成第一运算放大器输出信号，具体关系式为：

第一运算放大器输出信号的幅值 =- 信号a的电压幅值 * 第四电阻 / 第二电阻。

情况4：当电机驱动信号由高电平转换成低电平时，电路工作原理和过程同情况2一样，此时，

第一运算放大器输出信号的幅值 = 0伏；

此后，信号a的变化，重复循环情况1、情况2、情况3和情况4。

而信号b，同信号a一样，也要经过信号共模抑制模块，如图4所示，分析过程也和信号a一样，不再赘述。

所述的采集信号的处理和计算模块，电路设计由处理器、第三运算放大器、第八电阻、第九电阻和第十电阻组成，如图5所示，其原理图为：第三运算放大器、第八电阻、第九电阻和第十电阻组成差分运算放大器，第三运算放大器的输出端信号（即电流反馈信号）和正负输入端信号（即第二运算放大器输出信号和第一运算放大器输出信号），满足：

电流反馈信号的电压幅值 = （第二运算放大器输出信号幅值 - 第一运算放大器输出信号幅值） * 第十电阻电阻值 / 第八电阻电阻值；

其中，第八电阻电阻值 = 第九电阻电阻值；

而后，电流反馈信号连接到处理器的模拟数字转换接口上，进行相电流的计算。

所述情况1时（电机驱动信号为低电平，相电流为0），第一运算放大器输出信号的幅值 = 0伏，第二运算放大器输出信号的幅值 = 0伏，此时，电流反馈信号幅值 = 0伏；

所述情况2时（电机驱动信号由低电平转换成高电平，产生共模干扰，30伏信号干扰到信号a），满足：

第一运算放大器输出信号的幅值 = 0伏，第二运算放大器输出信号的幅值 = 0伏；

此时，电流反馈信号幅值 = 0伏，注意：电流反馈的幅值并没有受到共模干扰的影响；

所述情况3时（电机驱动信号为高电平，相电流为稳定状态），满足：

第一运算放大器输出信号的幅值=- 信号a的幅值 * 第四电阻 / 第二电阻；

第二运算放大器输出信号的幅值=- 信号b的幅值 * 第七电阻 / 第五电阻；

其中，第五电阻电阻值 = 第二电阻电阻值，第七电阻电阻值 = 第四电阻电阻值；

此时，满足：

电流反馈信号幅值 = （第四电阻电阻值 / 第二电阻电阻值）*（信号a幅值 – 信号b幅值）*（第十电阻电阻值 / 第八电阻电阻值） ；

其中，信号a 电压值– 信号b电压值 = 相电流值 * 第一电阻电阻值；

则关系式变成：

电流反馈信号幅值 = （第四电阻电阻值 / 第二电阻电阻值）*（相电流值 * 第一电阻电阻值）*（第十电阻电阻值 / 第八电阻电阻值）；

所以：

相电流值= 电流反馈信号幅值*（第二电阻电阻值/第四电阻电阻值）*(第八电阻电阻值/第十电阻电阻值)/ 第一电阻电阻值；

其中，第一电阻电阻值、第二电阻电阻值、第四电阻电阻值、第八电阻电阻值和第十电阻电阻值是已知的设计参数，电流反馈信号幅值需要通过处理器的模拟数字转换接口采集和读取。

注意，由于信号共模抑制模块的存在，使得信号（第一运算放大器输出信号、第二运算放大器输出信号和电流反馈信号）能够快速进入稳定状态，没有像信号a和信号b一样受到共模干扰的影响而处于不稳定状态（这种不稳定的状态还会持续一定时间，造成一定的时间延迟，降低***测量相电流的带宽），从而能够实现快速的测量相电流，有效提升***测量相电流的带宽性能。

所述情况4时（电机驱动信号由高电平转换成低电平），电路工作原理和分析过程同情况2一样，此处不再赘述。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种高带宽测量电机相电流的电路，其特征在于，包括：相电流反馈信号的采集模块、信号共模抑制模块和采集信号的处理和计算模块，所述的信号共模抑制模块接于所述的相电流反馈信号的采集模块的输出端，所述的采集信号的处理和计算模块接于所述的信号共模抑制模块的输出端；所述相电流反馈信号的采集模块包括第一电阻，所述的第一电阻一端连接电机驱动信号，另一端连接负载，电机驱动信号给第一电阻发送信号a，第一电阻给负载发送信号b；

所述信号共模抑制模块包括第一运算放大器、第一电容、第二电阻、第三电阻和第四电阻，所述的第一电容一端连接信号a，另一端连接第一运算放大器的正输入端；所述的第二电阻一端连接信号a，另一端连接第一运算放大器的负输入端；所述的第三电阻一端连接地信号，另一端连接第一运算放大器的正输入端；所述的第四电阻一端连接第一运算放大器的负输入端，另一端连接第一运算放大器的输出端；

所述的信号共模抑制模块还包括第二运算放大器、第二电容、第五电阻、第六电阻和第七电阻，所述的第二电容一端连接信号b，另一端连接第二运算放大器的正输入端；所述的第五电阻一端连接信号b，另一端连接第二运算放大器的负输入端；所述的第六电阻一端连接地信号，另一端连接第二运算放大器的正输入端；所述的第七电阻一端连接第二运算放大器的负输入端，另一端连接第二运算放大器的输出端。

2.根据权利要求1所述的一种高带宽测量电机相电流的电路，其特征在于：所述采集信号的处理和计算模块包括处理器、第三运算放大器、第八电阻、第九电阻和第十电阻；所述的第九电阻一端连接第一运算放大器输出信号，另一端连接第三运算放大器的负输入端；所述的第八电阻一端连接第二运算放大器输出信号，另一端连接第三运算放大器的正输入端；所述的第十电阻一端连接第三运算放大器的负输入端，另一端连接第三运算放大器的输出端；所述的第三运算放大器的输出端连接处理器的模拟数字转换接口。

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