实时三相电流平均值的检测电路的制作方法

本实用新型属于电机的启动或者电机控制领域，具体涉及一种实时三相电流平均值的检测电路。

背景技术：

在电机软启动器或者变频调速系统中，电机的三相电流为重要的监测信号量必须实时反馈给控制软件，控制软件依据反馈的电流信号进行电机状态实时的调整与控制。所以电机的三相电流作为反馈信号，其检测精度及实时性直接决定了电机软启动器或者变频控制系统的整体性能。

现有主流技术先将三相电流分别采样，然后三相信号分别送给芯片的三个不同AD口，由芯片内部软件经过各种不同的计算方法来得到三相电流的平均值或者有效值。由于AD口的采样都是按一定的时序进行检测，且软件的计算也需要耗费一定的时间，所以会导致实际计算出来的平均值或有效值存在一定的误差。也有采用电路进行直接实时处理的方法，如申请号为2013106280764的专利采用信号处理电路将一相的电流信号进行处理，此方法存在的主要问题是存在较大的相移，即只有经过半个周波之后才能将平均值给出来，实时性太差。

技术实现要素：

本实用新型的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种实时三相电流平均值的检测电路，在三相电流的任意时刻都可以通过电路转化为三相电流的平均值送到控制芯片直接检测。

本实用新型提供了一种实时三相电流平均值的检测电路，其特征在于：它包括三相电流采样信号电路、三相电流正半波精密整流电路、三相电流负半波精密整流电路、反向电路和加法电路；三相电流采样信号电路的输出端分别与三相电流正半波精密整流电路和三相电流负半波精密整流电路的输入端连接；三相电流正半波精密整流电路的输出端经反向电路与加法电路的输入端连接；三相电流负半波精密整流电路的输出端加法电路的输入端连接。

所述三相电流正半波精密整流电路包括三个运算放大器U1B、U1C、U1D；运算放大器U1B的正极输入端经电阻R2连接至三相电流采样信号电路的V相电流输出端；运算放大器U1C的正极输入端经电阻R3连接至三相电流采样信号电路的W相电流输出端；运算放大器U1D的正极输入端经电阻R1连接至三相电流采样信号电路的U相电流输出端；三个运算放大器U1B、U1C、U1D的负极输入端均经电阻R4、R6接地；运算放大器U1B的输出端与二极管D2的阳极连接，二极管D2的阴极经电阻R5、R6接地；运算放大器U1C的输出端与二极管D3的阳极连接，二极管D3的阴极经电阻R5、R6接地；运算放大器U1D的输出端与二极管D1的阳极连接，二极管D1的阴极经电阻R5、R6接地；反向电路的输入端连接于电阻R5、R6之间。

所述反向电路包括运算放大器U1A，运算放大器U1A的正极输入端经电阻R9接地；运算放大器U1A的负极输入端经电阻R7连接三相电流正半波精密整流电路的输出端；运算放大器U1A的负极输入端经电阻R8连接其输出端。

所述三相电流负半波精密整流电路包括三个运算放大器U2B、U2C、U2D；运算放大器U2B的正极输入端经电阻R12连接至三相电流采样信号电路的W相电流输出端；运算放大器U2C的正极输入端经电阻R11连接至三相电流采样信号电路的V相电流输出端；运算放大器U2D的正极输入端经电阻R10连接至三相电流采样信号电路的U相电流输出端；三个运算放大器U2B、U2C、U2D的负极输入端均经电阻R13、R15接地；运算放大器U2B的输出端与二极管D6的阴极连接，二极管D6的阳极经电阻R14、R15接地；运算放大器U2C的输出端与二极管D5的阴极连接，二极管D5的阳极经电阻R14、R15接地；运算放大器U2D的输出端与二极管D4的阴极连接，二极管D4的阳极经电阻R14、R15接地；加法电路的输入端连接于电阻R14、R15之间。

所述加法电路包括运算放大器U2A，运算放大器U2A的正极输入端经电阻R19接地；运算放大器U2A的负极输入端经电阻R16与反向电路输出端连接；运算放大器U2A的负极输入端经电阻R17与三相电流负半波精密整流电路输出端连接；运算放大器U2A的负极输入端经电阻R18与其输出端连接，运算放大器U2A的输出端经电阻R20接地；电阻R18两端并联有电容C3，电阻R20两端并联有电容C6。

本实用新型每一个时刻同时利用了三相电流来参与计算，而不需要等待某一相达到平均值之后才能计算出来，有效实现三相电流平均值的实时检测。本实用新型同时利用三相的检测信息则可以用更少的时间来得到平均值。本实用新型的电路更复杂，但实时性更好，软件采样只需一路AD采样，相对于传统的需要3路，本实用新型中软件计算只需要简单对有效值的换算，相较于传统的计算需要积分操作、求平均、低通滤波等，软件计算量大大简化。

附图说明

图1是本实用新型结构示意图；

图2是三相电流正半波的精密整流及反向电路示意图；

图3是三相电流负半波的精密整流电路示意图；

图4是加法电路示意图；

图5是具体实施的效果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明，便于清楚地了解本实用新型，但它们不对本实用新型构成限定。

如图1所示，本实用新型提供了一种实时三相电流平均值的检测电路，其特征在于：它包括三相电流采样信号电路、三相电流正半波精密整流电路、三相电流负半波精密整流电路、反向电路和加法电路；三相电流采样信号电路的输出端分别与三相电流正半波精密整流电路和三相电流负半波精密整流电路的输入端连接；三相电流正半波精密整流电路的输出端经反向电路与加法电路的输入端连接；三相电流负半波精密整流电路的输出端加法电路的输入端连接。通过电流互感器获得电机的三相电流信号之后，三相电流正半波精密整流电路对三相电流信号进行正半波的精密整流，正半波精密整流后不能直接与负半波进行加法运算，所以反向电路主要对正半波整流波形进行反向；三相电流负半波精密整流电路则主要对三相电流信号进行负半波的精密整流；正负半波分别进行精密整流之后的纹波较大，如果此时使用正负半波整流的值来估算平均值，需要对正负半波整流的值进行一个较大的滤波，这个较大的滤波会产生很大的延迟，严重影电流平均值采样的实时性，本实用新型采用加法电路将正半波反向之后与负半波相加，利用正半波与负半波在相位上的相差在相加之后来减小纹波，这样的方法能大大减小纹波，所以不用需进行较大的滤波即可得到真实的平均值，能大大提高电流平均值计算的实时性。

如图2所示，所述三相电流正半波精密整流电路包括三个运算放大器U1B、U1C、U1D；运算放大器U1B的正极输入端经电阻R2连接至三相电流采样信号电路的V相电流输出端；运算放大器U1C的正极输入端经电阻R3连接至三相电流采样信号电路的W相电流输出端；运算放大器U1D的正极输入端经电阻R1连接至三相电流采样信号电路的U相电流输出端；三个运算放大器U1B、U1C、U1D的负极输入端均经电阻R4、R6接地；运算放大器U1B的输出端与二极管D2的阳极连接，二极管D2的阴极经电阻R5、R6接地；运算放大器U1C的输出端与二极管D3的阳极连接，二极管D3的阴极经电阻R5、R6接地；运算放大器U1D的输出端与二极管D1的阳极连接，二极管D1的阴极经电阻R5、R6接地；反向电路的输入端连接于电阻R5、R6之间。

所述反向电路包括运算放大器U1A，运算放大器U1A的正极输入端经电阻R9接地；运算放大器U1A的负极输入端经电阻R7连接三相电流正半波精密整流电路的输出端；运算放大器U1A的负极输入端经电阻R8连接其输出端。

其中R1＝R2＝R3＝R4；二极管D1、D2、D3的阳极分别连到三个跟随运算放大器的输出端，保证限流电阻R5的最终输出为三相电流的正半波的最大值，即二极管D1、D2、D3与运算放大器U1B、U1C、U1D构成了正半波精密整流电路，同时由于运算放大器的特点，限流电阻R5的输出端不会存在二极管的压降问题。电阻R7、R8、R9与运放U1A构成的反向电路，其中R7＝R8。电容C1、C2构成上述所有运放的旁路去耦电容。电阻R6为运放的下拉电阻，保证在互感器未接时输出为0。

如图3所示，所述三相电流负半波精密整流电路包括三个运算放大器U2B、U2C、U2D；运算放大器U2B的正极输入端经电阻R12连接至三相电流采样信号电路的W相电流输出端；运算放大器U2C的正极输入端经电阻R11连接至三相电流采样信号电路的V相电流输出端；运算放大器U2D的正极输入端经电阻R10连接至三相电流采样信号电路的U相电流输出端；三个运算放大器U2B、U2C、U2D的负极输入端均经电阻R13、R15接地；运算放大器U2B的输出端与二极管D6的阴极连接，二极管D6的阳极经电阻R14、R15接地；运算放大器U2C的输出端与二极管D5的阴极连接，二极管D5的阳极经电阻R14、R15接地；运算放大器U2D的输出端与二极管D4的阴极连接，二极管D4的阳极经电阻R14、R15接地；加法电路的输入端连接于电阻R14、R15之间。

其中R10＝R11＝R12＝R13；二极管D4、D5、D6的阴极分别连到三个跟随运算放大器的输出端。负半波整流的原理与正半波整流的原理相似，只是二极管的方向进行反向。电阻R14起限流作用，保证运放的输出电流不会很大。电阻R15为运放的下拉电阻，保证在互感器未接时输出为0。

如图4所示，所述加法电路包括运算放大器U2A，运算放大器U2A的正极输入端经电阻R19接地；运算放大器U2A的负极输入端经电阻R16与反向电路输出端连接；运算放大器U2A的负极输入端经电阻R17与三相电流负半波精密整流电路输出端连接；运算放大器U2A的负极输入端经电阻R18与其输出端连接，运算放大器U2A的输出端经电阻R20接地；电阻R18两端并联有电容C3，电阻R20两端并联有电容C6。

电路主要功能由比例电阻R16、R17、R18和运算放大器U2A实现，其中R16＝R17，保证加法的一致性；而R18＝2.622*R16，此比例关系由仿真及实际测试所得；电阻R19为运放正端的下拉电阻，保证运放实短虚断的原则；下拉电阻R20保证在互感器未接时输出为0；而电容C4、C5则为运算放大器U2A、U2B、U2C、U2D所共有的旁路电容；电容C3选择为高频的滤波电容，而电容C6则选择为低频的滤波电容。加法电路实现了正半波与负半波在纹波上的互补，同时加法电路具有反向的功能，对正半波整流并反向与负半波整流相加之后再反向，则输出依然得到一个正的波形信号，可以直接送给单片机或者DSP。同时加法电路还附加了两个电容进行C3、C6进行滤波，由于加法电路得到的信号纹波已经非常小，则滤波可以采用带宽较高的滤波而不会产生较大的延迟。

如图5所示为本实用新型的效果示意图。这里以50Hz的三相电流信号为例进行说明。图中U、V、W三相电流之间相位互差120度。电机三相电流信号经过三相电流正半波精密整流电路的正半波精密整流之后得到波形曲线21，波形曲线21经过单元12反向电路之后得到波形曲线22，电机三相电流经过三相电流负半波精密整流电路的负半波的精密整流之后得到波形曲线23，此三条波形曲线的特征为纹波较大，但中心处的平均值一致，且波形曲线22与波形曲线23的纹波的相位互补，即曲线22的最低点刚好对应曲线23的最高点，而曲线22的最高点刚好对应曲线23的最低点；波形曲线22与波形曲线23相加之后得到波形曲线24，由于波形曲线22与波形曲线23之间的相位的互补性，相加之后的波形曲线具有更小的纹波，图中所示的波形曲线24明显具有非常小的纹波。由于加法电路同时具有反向的功能，所以尽快波形曲线22和波形曲线23都为负，但波形曲线24依然为正。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。