交流變頻電機的機端電壓測量裝置製造方法

2023-10-18 08:25:04 2

交流變頻電機的機端電壓測量裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種交流變頻電機的機端電壓測量裝置,為克服：1.若採集直流母線電壓換算得到的交流變頻電機（3）的端電壓誤差較大；2.若直接測量交流變頻電機（3）的端電壓，需要極高的數字採樣頻率和高速的數位訊號處理這是普通控制器無法實現的問題，該測量裝置由傳感器，採樣電阻，1號積分器和2號積分器組成；傳感器的輸出端與採樣電阻的一端電線連接，採樣電阻的另一端同時和1號積分器與2號積分器的一端電線連接，採樣電阻、1號積分器與2號積分器焊接在同一塊電路板上。傳感器的輸入端接逆變器（2）的PWM電壓側即接交流變頻電機（3）的端電壓側；1號積分器與2號積分器的另一端同時與電機控制器（4）中的I/O口電線連接。
【專利說明】交流變頻電機的機端電壓測量裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種測量機構，更確切地說，本發明涉及一種交流變頻電機的機端電
壓測量裝置。
【背景技術】
[0002]隨著電力電子技術的飛速發展，交流變頻電機在工業界得到了廣泛應用。在交流變頻電機系統中，控制算法是決定系統性能的核心，而傳感器採集信號的準確度將直接影響到控制算法的效果。由於交流變頻電機的端電壓為高頻高壓的PWM形式，目前無法實現傳感器實時測量，所以，目前工業界一般使用電壓傳感器測量逆變器輸入端電壓(如圖1中Vdc)代替電機端電壓(如圖1中Vac)。由於這種測量方法無法精確考慮逆變器的電壓損失，所以測量的電壓誤差較大，如何精確獲得電機端電壓近年來受到了國內外的廣泛關注。
[0003]交流變頻電機端電壓的測量精度不但影響電機控制性能，而且對電機無位置傳感器技術的發展有著重要意義。所謂電機無位置傳感器技術就是利用電機的電壓、電流信息估計電機轉子位置信息的一種方法。在可靠性要求不高的應用場合，利用無位置傳感器技術可以節約成本，省去購買、安裝轉子位置傳感器的工作；在可靠性要求較高的場合，無位置傳感器技術可以作為位置傳感器的備份，在位置傳感器失效的情況下使系統正常工作。顯然，電機端電壓測量的精度就會影響到轉子位置估計的精度，事實上，無法得到準確的端電壓正是影響無位置傳感器技術目前無法大面積推廣的一個重要因素。
[0004]經文獻檢索和調研，端電壓測量精度對無位置傳感器技術性能的影響也是在近5年內才被國外學者所重視，目前國內外均無直接準確測量交流變頻電機機端PWM電壓的方法。

【發明內容】

[0005]本發明所要解決的技術問題是克服了現有技術存在:1.若採集直流母線電壓，換算得到的端電壓無法精確考慮逆變器的壓降，誤差較大；2.若直接測量電機端電壓，由於PWM方波的特性，需要極高的數字採樣頻率和高速的數位訊號處理，普通控制器無法實現的問題，提供了 一種交流變頻電機的機端電壓測量裝置。
[0006]為解決上述技術問題，本發明是採用如下技術方案實現的:所述的交流變頻電機的機端電壓測量裝置包括傳感器，採樣電阻，I號積分器和2號積分器；
[0007]傳感器的輸出端與米樣電阻的一端電線連接，米樣電阻的另一端同時和I號積分器與2號積分器的一端電線連接。
[0008]技術方案中所述的傳感器選用HV-C04系列的傳感器，採樣電阻選用型號為0201的貼片電阻，I號積分器與2號積分器選用型號為DIN的I號積分器與型號為DIN的2號積分器。HV-C04系列的傳感器的輸出端Vc與型號為0201的貼片電阻的一端電線連接,型號為0201的貼片電阻0201的另一端和型號為DIN的I號積分器的Uin端與型號為DIN的2號積分器的Uin端電線連接，型號為0201的貼片電阻、型號為DIN的I號積分器與型號為DIN的2號積分器焊接在同一塊電路板上。
[0009]技術方案中所述的傳感器選用LV25-P系列的傳感器，採樣電阻選用型號為0402的貼片電阻，I號積分器與2號積分器選用型號為OEM的I號積分器與型號為OEM的2號積分器；
[0010]LV25-P系列的傳感器的輸出端OUT與型號為0402的貼片電阻的一端電纜連接，型號為0402的貼片電阻的另一端和型號為OEM的I號積分器的Uin端與型號為OEM的2號積分器的Uin端電線連接,型號為0402的貼片電阻、型號為OEM的I號積分器與型號為OEM的2號積分器焊接在同一塊電路板上。
[0011]技術方案中所述的交流變頻電機的機端電壓測量裝置的輸入端通過傳感器與逆變器的PWM電壓側即交流變頻電機的端電壓側電線連接；
[0012]所述的I號積分器與2號積分器的另一端同時與電機控制器中的I/O 口電線連接；即型號為OEM的I號積分器與型號為OEM的2號積分器的Uout端和電機控制器中控制板的I/O 口米用電線連接或者型號為DIN的I號積分器與型號為DIN的2號積分器的Uout端與電機控制器中控制板的I/O 口採用電線連接。
[0013]與現有技術相比本發明的有益效果是:
[0014]1.參閱圖1，由於交流變頻電機的端電壓為高頻高壓的PWM形式，目前無法實現傳感器實時測量，所以，目前工業界一般使用電壓傳感器測量逆變器輸入直流母線端電壓Vdc代替電機端電壓Vac。若測量逆變器輸入端的直流母線電壓，換算得到的端電壓無法精確考慮逆變器的壓降，誤差較大，參閱圖3，本發明改進了現有方案，在逆變器的輸出端增加了利用運算放大器設計模擬電路的高精度電壓測量裝置，這樣可準確測量出逆變器輸出端電壓(即電機端電壓)，避免由於逆變器壓降導致的測量電壓誤差，從而提高電機的控制性能。
[0015]2.電機的端電壓除了對電機的控制性能有決定性的影響外，對電機的一些應用技術也有很大影響，例如在無位置傳感器中利用電機端電壓來確定轉子位置，而電機端電壓測量的精度影響到轉子位置估計的精度，這是無位置傳感器技術目前無法大面積推廣的一個重要因素，本發明提出的測量電機端電壓的方法得到了準確的端電壓，有利於無位置傳感器技術的推廣。
[0016]3.由於交流變頻電機的端電壓為高頻高壓的PWM形式，一般頻率約為5-20KHZ，而決定該信號幅值的特性則為此高頻的方波信號一個周期內高電平脈寬所佔時間的比例。
[0017]如:電機電壓PWM頻率為IOkHzJP PWM周期為lOOus，若電壓採樣頻率高達1MHz，則其測量精度時間精度為lus，可見其測量誤差高達1%，而這樣高的採樣頻率將佔用大量單片機的資源，實際應用非常困難。
[0018]而本發明的電路將利用模擬電路，對IOOus內PWM電壓進行積分，顯然該積分值與實際輸出電壓成正比，那麼只需在IOOus後測量該積分值，即可準確得到相應的電機端電壓幅值，此時單片機的採樣頻率只需10kHz，且精度由硬體積分器的性能決定，不佔用單片機軟體資源。所以本發明在提高電壓採樣精度的情況下，將大幅度降低控制系統所需的採樣頻率，降低系統成本。
[0019]因此，通過本發明的測量裝置電路，普通工業電機的控制系統用較低的採樣頻率就可獲得電機的端電壓，有助於電機控制技術發展。【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]下面結合附圖對本發明作進一步的說明:
[0021]圖1是交流變頻電機控制系統結構組成示意框圖；
[0022]圖2是傳統交流變頻電機控制系統結構組成示意框圖；
[0023]圖3是採用本發明所述的交流變頻電機的機端電壓測量裝置的交流變頻電機控制系統結構組成示意框圖；
[0024]圖4是本發明所述的交流變頻電機的機端電壓測量裝置的結構原理框圖；
[0025]圖5是本發明所述的交流變頻電機的機端電壓測量裝置各種信號曲線圖；
[0026]圖中:1.直流電源，2.逆變器，3.交流變頻電機，4.電機控制器，5.電壓測量裝置。
【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖對本發明作詳細的描述:
[0028]參閱圖2，傳統交流變頻電機控制系統包括直流電源1、逆變器2、交流變頻電機3、電機控制器4，直流電源I輸出端通過直流母線與逆變器2的輸入端相連，逆變器2的輸出端通過三相動力線與電機3相連；
[0029]傳統交流變頻電機控制系統是測量逆變器直流側電壓值Vdc，利用逆變器直流側電壓值Vdc計算交流變頻電機機端電壓值Vac作為電機控制器4的電壓反饋信號。這種傳統方法計算得到的交流變頻電機機端電壓值無法準確考慮逆變器2的非線性效應，從而造成反饋的電機機端電壓Vac誤差相對較大，不利於高性能電機控制。
[0030]參閱圖3，本發明在傳統交流變頻電機控制系統基礎上增加了電壓測量裝置5，電壓測量裝置5串聯在逆變器2與電機控制器4之間，電壓測量裝置5的輸入端接逆變器2的PWM電壓(即電機3端電壓)側，電壓測量裝置5的輸出端與電機控制器4輸入端電線連接。電壓測量裝置5用來測量逆變器2輸出電壓值Vac，此值消除了間接測量電機端電壓信號時逆變器2的影響，可以更為準確的得到電機3端電壓。
[0031]參閱圖4，本發明提出的電壓測量裝置5是由傳感器，採樣電阻，I號積分器和2號積分器組成，其中積分器主要是利用運算放大器的積分電路實現，I號積分器和2號積分器硬體結構完全相同且並行工作。
[0032]傳感器的作用將逆變器2輸出高壓轉化成低壓電信號，低壓電信號才能被AD採樣模塊使用。選擇傳感器時主要考慮被測電壓範圍，輸出信號，具體實施時可以選擇HV-C04系列的傳感器；
[0033]積分器的作用是利用運算放大器的積分電路得到電壓模擬量，這是本發明的核心，積分器的性能決定採集到電壓的精度，積分器的設計中還應該具備使能和重置功能，具體實施時積分器可以採用運算放大器設計的積分電路也可選用現成的積分器。
[0034]傳感器的輸出端通過電線接採樣電阻的一端，採樣電阻的另一端接入積分器，兩積分器同時用電線接電機控制器4的I/O 口，採樣電阻和I號積分器與2號積分器焊接在同一塊電路板上。
[0035]實施方案一,HV-C04系列傳感器的輸出端Vc與型號為0201的貼片電阻的一端電線連接，型號為0201的貼片電阻的另一端同時和型號為DIN的I號積分器的Uin端與型號為DIN的2號積分器的Uin端電線連接,型號為DIN的I號積分器與型號為DIN的2號積分器的Uout端與電機控制器中控制板的I/O 口電線連接，型號為0201的貼片電阻、型號為DIN的I號積分器與型號為DIN的2號積分器焊接在同一塊電路板上。
[0036]實施方案二，LV25-P系列傳感器的輸出端OUT與型號為0402的貼片電阻一端電線連接，型號為0402的貼片電阻的另一端同時與型號為OEM的I號積分器的Uin端和型號為OEM的2號積分器的Uin端電線連接,型號為OEM的I號積分器和型號為OEM的2號積分器的Uout端與電機控制器中控制板的I/O 口電線連接，型號為0402的貼片電阻、型號為OEM的I號積分器與型號為OEM的2號積分器焊接在同一塊電路板上。
[0037]使用本發明所述的電壓測量裝置的交流變頻電機控制系統的工作原理:
[0038]直流電源I通過直流母線將直流電壓供給逆變器2，逆變器2對輸入的直流電壓進行變換，變換得到的三相方波PWM電壓供交流變頻電機3工作。
[0039]電機控制器4採集電壓測量裝置5測量到的交流變頻電機3端電壓值Vac用於交流變頻電機3 (即與需求電壓作對比調節逆變器2的輸出電壓值或者進行無位置傳感器轉子位置估計等工作中)，使交流變頻電機3達到需求工作狀態。
[0040]參閱圖5，本發明所述的交流變頻電機的機端電壓測量裝置的工作原理:
[0041]電機控制器設置I/O管腳發出使能控制信號，分時使能I號積分器和2號積分器，I號積分器和2號積分器按周期交替工作，在第一個周期T使能I號積分器(圖中使能I號積分器曲線)，I號積分器將傳感器採集到的高速的方波PWM電壓信號進行單周期採樣-積分-保持，積分器的輸出電壓信號如圖中I號積分器輸出曲線所示；第二個周期使I號積分器重置，I號積分器保持積分值，使能2號積分器(圖中使能2號積分器曲線)，2號積分器將傳感器採集到高速的方波PWM電壓信號進行單周期採樣-積分-保持，積分器的輸出電壓信號如圖中2號積分器輸出曲線所示。
[0042]電機控制器設置I/O管腳發出米樣控制信號對I號積分器和2號積分器輸出值的分時採樣控制(採樣控制信號圖中的採樣信號I和採樣信號2)，得到總輸出電壓值(圖中總輸出曲線)，此電壓值即是電機端電壓值。
[0043]利用電壓測量裝置可以準確得到電機端電壓，而且積分器採用高性能的運算放大器的積分電路實現，簡單可靠，成本低。
【權利要求】
1.一種交流變頻電機的機端電壓測量裝置，其特徵在於，所述的交流變頻電機機端電壓測量裝置包括傳感器，採樣電阻，I號積分器和2號積分器； 傳感器的輸出端與米樣電阻的一端電線連接，米樣電阻的另一端同時和I號積分器與2號積分器的一端電線連接。
2.按照權利要求1所述的交流變頻電機的機端電壓測量裝置，其特徵在於，所述的傳感器選用HV-C04系列的傳感器,米樣電阻選用型號為0201的貼片電阻，I號積分器與2號積分器選用型號為DIN的I號積分器與型號為DIN的2號積分器； HV-CO4系列的傳感器的輸出端Vc與型號為0201的貼片電阻的一端電線連接,型號為0201的貼片電阻0201的另一端和型號為DIN的I號積分器的Uin端與型號為DIN的2號積分器的Uin端電線連接,型號為0201的貼片電阻、型號為DIN的I號積分器與型號為DIN的2號積分器焊接在同一塊電路板上。
3.按照權利要求1所述的交流變頻電機的機端電壓測量裝置，其特徵在於，所述的傳感器選用LV25-P系列的傳感器,米樣電阻選用型號為0402的貼片電阻，I號積分器與2號積分器選用型號為OEM的I號積分器與型號為OEM的2號積分器； LV25-P系列的傳感器的輸出端OUT與型號為0402的貼片電阻的一端電線連接,型號為0402的貼片電阻的另一端和型號為OEM的I號積分器的Uin端與型號為OEM的2號積分器的Uin端電線連接,型號為0402的貼片電阻、型號為OEM的I號積分器與型號為OEM的2號積分器焊接在同一塊電路板上。
4.按照權利要求1所述的交流變頻電機的機端電壓測量裝置，其特徵在於，所述的交流變頻電機的機端電壓測量裝置的輸入端通過傳感器與逆變器(2)的PWM電壓側即交流變頻電機(3)的端電壓側電線連接； 所述的I號積分器與2號積分器的另一端同時與電機控制器(4)中的I/O 口電線連接；即型號為OEM的I號積分器與型號為OEM的2號積分器的Uout端和電機控制器(4)中控制板的I/O 口米用電線連接或者型號為DIN的I號積分器與型號為DIN的2號積分器的Uout端與電機控制器(4)中控制板的I/O 口採用電線連接。
【文檔編號】G01R19/25GK103713185SQ201310728434
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月25日 優先權日:2013年12月25日
【發明者】袁新枚, 陳宏羽, 王闖, 刁慶華, 紀淑玲, 張建, 陳浩 申請人:吉林大學