交流變頻電機的機端電壓測量儀的製作方法
2023-05-24 08:50:21
交流變頻電機的機端電壓測量儀的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了交流變頻電機的機端電壓測量儀，旨在克服若採集直流母線電壓換算成機端電壓誤差較大和直接測量機端電壓由於PWM方波特性，需要極高的數字採樣頻率和高速數位訊號處理，普通控制器無法實現的問題，該測量儀（5）包括有傳感器、採樣電阻、AD採樣模塊與FPGA。傳感器的輸入端與逆變器（2）的輸出端電線連接，傳感器的輸出端與採樣電阻的一端電線連接，採樣電阻的另一端與AD採樣模塊的信號輸入端電線連接，AD採樣模塊的信號輸出端與FPGA輸入端通過I/O口連接。測量儀的輸入口通過傳感器與逆變器（2）輸出端電線連接，測量儀的輸出口通過FPGA即現場可編程邏輯門陣列與電機控制器（4）的輸入端採用電線連接。
【專利說明】交流變頻電機的機端電壓測量儀
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種測量機構，更確切地說，本實用新型涉及一種交流變頻電機機端電壓測量儀。
【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所示)代替電機端電壓(如圖1中Vac所示)。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]本實用新型所要解決的技術問題是克服了現有技術存在的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，誤差較大和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 一種交流變頻電機機端電壓測量儀。
[0006]為解決上述技術問題，本實用新型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儀包括有傳感器、米樣電阻、AD米樣模塊與FPGA。
[0007]傳感器的輸入端與逆變器的輸出端電線連接，傳感器的輸出端與米樣電阻的一端電纜連接，採樣電阻的另一端與AD採樣模塊的信號輸入端電線連接，AD採樣模塊的信號輸出端與FPGA輸入端通過I/O 口連接。
[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，AD採樣模塊選用型號為AD574A的ADC晶片，FPGA即現場可編程邏輯門陣列；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與型號為AD574A的ADC晶片的Vi腳電線連接，型號為AD574A的ADC晶片的R 口與D 口和FPGA的IN 口電線連接；型號為0201的貼片電阻、型號為AD574A的ADC晶片與FPGA是焊接在同一塊電路板上的。
[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，AD採樣模塊選用型號為ADC0809的ADC晶片，FPGA即現場可編程邏輯門陣列；LV25-P系列傳感器的輸出端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ADC0809的ADC晶片的INO腳與INl腳電線連接，型號為ADC0809的ADC晶片的DO 口與Dl 口和FPGA的IN 口電線連接；型號為0402的貼片電阻、型號為ADC0809的ADC晶片與FPGA是焊接在同一塊電路板上的。
[0010]技術方案中所述的交流變頻電機的機端電壓測量儀的輸入口通過傳感器與逆變器輸出端電線連接，交流變頻電機的機端電壓測量儀的輸出口通過FPGA即現場可編程邏輯門陣列與電機控制器的輸入端用電線連接。
[0011]與現有技術相比本實用新型的有益效果是:
[0012]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代替交流變頻電機端電壓Vac。參閱圖2，若測量逆變器輸入端的直流母線電壓，換算得到的交流變頻電機端電壓無法精確考慮逆變器的壓降，誤差較大。參閱圖3，本實用新型改進了現有方案，在逆變器的輸出端增加了基於FPGA的高速AD採樣電壓測量儀，這樣可準確測量出逆變器輸出端電壓(即交流變頻電機端電壓)，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。
[0013]2.交流變頻電機的端電壓除了對交流變頻電機的控制性能有決定性的影響外，對交流變頻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交流變頻電機端電壓來確定轉子位置，而交流變頻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，本實用新型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。
[0014]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。
[0015]如:交流變頻電機電壓PWM頻率為10kHz，即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。
[0016]而本實用新型的基於FPGA的高速AD採樣電壓測量儀，採用高速ADC晶片，一個通道有lGb/s的採樣率，如果在一片ADC上集成兩路獨立的ADC具有8bit轉換精度，每個通道有lGb/s的採樣率，在交錯模式下雙路ADC並行採樣可以達到2Gb/s的採樣率。同時選用內部集成輸出緩衝器的ADC，可以降低出數據率，方便與多種類型的高速FPGA直接相連，實現高速率數據存儲和處理。利用FPGA直接控制ADC晶片對信號進行採樣，然後將轉換好的數據迅速存儲到FPGA內部的存儲器中，數據採集與數據傳送獨立於單片機，降低了對單片機頻率的要求。FPGA軟體處理功能強大，除了利用其控制ADC晶片和存儲數據之外，還可以對採集到的數據進行實際佔空比的計算、FFT (快速傅立葉變換)、濾波等方面處理，滿足各類複雜的電機控制算法需求。[0017]因此，本實用新型在實現電壓高速採樣的情況下，將大幅度降低交流變頻電機控制系統所需的採樣頻率，擺脫了採用DSP、單片機等微處理器進行配置的傳統方法，實現了對交流變頻電機端電壓數據的獨立採集和處理，對高性能交流變頻電機控制具有重要意義。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]下面結合附圖對本實用新型作進一步的說明:
[0019]圖1是交流變頻電機控制系統結構組成示意框圖；
[0020]圖2是傳統技術中交流變頻電機控制系統結構組成示意框圖；
[0021]圖3是採用本實用新型所述的交流變頻電機機端電壓測量儀的交流變頻電機控制系統結構組成示意框圖；
[0022]圖4是本實用新型所述的交流變頻電機機端電壓測量儀的結構原理示意框圖；
[0023]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.交流變頻電機的機端電壓測量儀。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖對本實用新型作詳細的描述:
[0025]參閱圖2，圖中所示是傳統的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與電機控制器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；
[0026]傳統的交流變頻電機控制系統是測量逆變器2的直流側電壓值Vdc，利用此電壓值Vdc計算交流變頻電機3的端電壓值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電機3的端電壓值Vac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端電壓值Vac誤差相對較大，不利於高性能電機控制。
[0027]參閱圖3，圖中是應用本實用新型提供的電壓測量儀採集交流變頻電機3端電壓的交流變頻電機控制系統。應用本實用新型所提供的電壓測量儀的交流變頻電機控制系統與上面所述的傳統的交流變頻電機控制系統相比，輸入給電機控制器4的交流變頻電機3的端電壓值Vac來源不同，後者是採用一種高精度的電壓測量儀5來測量逆變器2的輸出端電壓(即交流變頻電機端電壓)值Vac作為輸入給電機控制器4的電壓信號，這樣測量得到的測量逆變器2的輸出端電壓是所需的交流變頻電機端電壓值，消除了逆變器2的壓降誤差。
[0028]參閱圖4，本實用新型所提供的交流變頻電機的機端電壓測量儀5是包括傳感器、採樣電阻、AD採樣模塊、FPGA (現場可編程邏輯門陣列)。
[0029]傳感器的作用將逆變器2輸出高壓電信號轉化成低壓電信號，低壓電信號才能被AD米樣模塊使用。選擇傳感器時主要考慮被測電壓範圍，輸出信號。
[0030]AD採樣模塊是一個高速電壓採樣模塊，實現對高頻高壓的PWM波的採集。採用的高速ADC晶片，一個通道需要有lGb/s以上的採樣率，如果在一片ADC上集成兩路獨立的ADC具有8bit轉換精度，每個通道有lGb/s的採樣率，在交錯模式下雙路ADC並行採樣需要達到2Gb/s以上的採樣率。同時選用內部集成輸出緩衝器的ADC，這樣可以降低輸出數據率，方便與多種類型的高速FPGA (現場可編程邏輯門陣列)直接相連。
[0031]FPGA (現場可編程邏輯門陣列)的作用是利用其控制ADC晶片和存儲數據，同時還可以對採集到的數據進行實際佔空比的計算、FFT (快速傅立葉變換)、濾波等方面處理。FPGA (現場可編程邏輯門陣列)軟體處理功能強大，能夠實現對AD模塊採集到的數據快速的處理和儲存。AD模塊的輸出和FPGA (現場可編程邏輯門陣列)的輸入均設計為LVDS (—種通用接口標準)邏輯標準，可實現AD模塊與FPGA (現場可編程邏輯門陣列)的無縫連接。
[0032]傳感器的輸入端與逆變器的輸出端使用電線相連，傳感器的輸出端與採樣電阻的一端使用電線相連，採樣電阻的另一端與AD模塊的信號輸入埠電線連接，AD模塊與FPGA(現場可編程邏輯門陣列)通過I/O 口連接，採樣電阻、ADC晶片、FPGA焊接在同一塊電路板上。
[0033]實施方案一，HV-C04系列傳感器的輸出端Vc使用電線接米樣電阻(型號為0201的貼片電阻)一端，採樣電阻(型號為0201的貼片電阻)的另一端接美國AD公司的型號為AD574A的ADC晶片的Vi腳，型號為AD574A的ADC晶片的R和D 口接FPGA的IN 口上，其中採樣電阻(型號為0201的貼片電阻)、型號為AD574A的ADC晶片、FPGA是焊接在同一塊電路板上的，電壓測量儀的輸出口與接電機控制器4的輸入端用信號線連接。
[0034]實施方案二，LV25-P系列傳感器的輸出端OUT使用電線接採樣電阻(型號為0402的貼片電阻)的一端，米樣電阻(型號為0402的貼片電阻)的另一端接型號為ADC0809的ADC晶片的INO和INl腳，型號為ADC0809的ADC晶片的DO 口和Dl 口接FPGA (現場可編程邏輯門陣列)的IN 口上，其中採樣電阻(型號為0402的貼片電阻)、型號為ADC0809的ADC晶片、FPGA是焊接在同一塊電路板上的，電壓測量儀的輸出口與接電機控制器4的輸入端用信號線連接。
[0035]使用本實用新型所述的交流變頻電機的機端電壓測量儀的交流變頻電機控制系統的工作原理:
[0036]直流電源I通過直流母線將直流電壓輸出給逆變器2，逆變器2對輸入的直流電壓進行轉換，轉換得到的三相方波PWM電壓供交流變頻電機3工作。
[0037]電機控制器4採集交流變頻電機的機端電壓測量儀5測量到的交流變頻電機3的端電壓值Vac用於交流變頻電機3的控制(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)，從而使交流變頻電機3達到需求工作狀態。
[0038]本實用新型所述的交流變頻電機的機端電壓測量儀的工作原理:
[0039]逆變器2輸出電壓通過交流變頻電機的機端電壓測量儀5中的傳感器轉化為低壓電信號，然後利用FPGA (現場可編程邏輯門陣列)控制ADC晶片高速採集通過採樣電阻的傳感器信號，ADC晶片採樣後的數據傳給FPGA (現場可編程邏輯門陣列)，FPGA (現場可編程邏輯門陣列)對採集到的數據做信號處理，即採樣階段和數據讀取階段，採樣階段FPGA(現場可編程邏輯門陣列)控制ADC晶片對信號進行採樣，然後將轉換好的數據迅速存儲到FPGA (現場可編程邏輯門陣列)內部的存儲器中；數據讀取階段，FPGA (現場可編程邏輯門陣列)調用存儲器中的高速採樣數據並對高速採樣數據進行所需的信號處理(如:佔空比計算、FFT (快速傅立葉變換)、濾波等)，相關處理結果存儲在FPGA (現場可編程邏輯門陣列)的存儲器中供電機控制器取用。FPGA (現場可編程邏輯門陣列)對採集到的數據並進行處理後，將數據傳給電機控制器4，電機控制器4利用此值進行交流變頻電機的控制。
【權利要求】
1.一種交流變頻電機的機端電壓測量儀，其特徵在於，所述的交流變頻電機的機端電壓測量儀(5)包括有傳感器、採樣電阻、AD採樣模塊與FPGA ； 傳感器的輸入端與逆變器(2 )的輸出端電線連接,傳感器的輸出端與米樣電阻的一端電纜連接，採樣電阻的另一端與AD採樣模塊的信號輸入端電線連接，AD採樣模塊的信號輸出端與FPGA輸入端通過I/O 口連接。
2.按照權利要求1所述的交流變頻電機的機端電壓測量儀，其特徵在於，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，AD採樣模塊選用型號為AD574A的ADC晶片，FPGA即現場可編程邏輯門陣列； HV-CO4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與型號為AD574A的ADC晶片的Vi腳電線連接，型號為AD574A的ADC晶片的R 口與D 口和FPGA的IN 口電線連接；型號為0201的貼片電阻、型號為AD574A的ADC晶片與FPGA是焊接在同一塊電路板上的。
3.按照權利要求1所述的交流變頻電機的機端電壓測量儀，其特徵在於，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，AD採樣模塊選用型號為ADC0809的ADC晶片，FPGA即現場可編程邏輯門陣列； LV25-P系列傳感器的輸出端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ADC0809的ADC晶片的INO腳與INl腳電線連接，型號為ADC0809的ADC晶片的DO 口與Dl 口和FPGA的IN 口電線連接；型號為0402的貼片電阻、型號為ADC0809的ADC晶片與FPGA是焊接在同一塊電路板上的。
4.按照權利要求1所述的交流變頻電機的機端電壓測量儀，其特徵在於，所述的交流變頻電機的機端電壓測量儀的輸入口通過傳感器與逆變器(2)輸出端電線連接，交流變頻電機的機端電壓測量儀的輸出口通過FPGA即現場可編程邏輯門陣列與電機控制器(4)的輸入端用電線連接。
【文檔編號】G01R19/25GK203732615SQ201320865082
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2013年12月25日 優先權日:2013年12月25日
【發明者】紀淑玲, 李君 , 袁新枚, 張建, 陳浩, 盧瀟, 王闖, 陳宏羽, 刁慶華 申請人:吉林大學