脉宽调制输出电压测量装置及方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及脉宽调制输出电压测量装置及方法。
【背景技术】
[0002]电机驱动器和其他开关电源用于提供多相AC输出电力，以驱动负载，例如，感应电动机。大多数传统AC驱动器包括开关逆变器输出级，其利用分别连接在DC总线的相应端子与输出端子中的一个之间的开关阵列来转换来自DC总线的电力，以提供AC输出电压，从而驱动负载。为了在各个负载端子处产生可变频率、可变幅度的输出电压信号，采用脉宽调制型开关控制，以选择性激励逆变器开关。通常根据一个或更多个设定点信号或值并且还根据来自逆变器输出的反馈，以闭环方式控制开关操作。在通常情况下，电机驱动器接收速度和位置设定点，并且还可以接收转矩设定点以及反馈信号，该反馈信号表示逆变器的测量输出电压和驱动器的其他操作条件。一个或更多个内部控制回路用于基于所接收的设定点和反馈值来调整输出负载电机速度、转矩、电压和/或电流。
[0003]然而，由于输出逆变器的脉冲宽度调制操作，所以难以准确评估在逆变器输出端的电压波形。具体地，逆变器开关在相对较高脉冲宽度调制频率下(例如，几千赫兹)操作，使得输出电压波形包括高频成分。另外，开关式电源处于嘈杂的电气环境，因此电压输出波形不是纯粹的正弦曲线。此外，在许多应用中，所驱动的负载的额定输出相对较高，从而DC总线电压和AC输出电压是相对较高的值。因此，在这些情况下，难以获得准确的反馈，原因是所感测的信号有时具有很高的电压幅值，并且在逆变器内对大电流的切换造成了难以准确地感知输出电压信号的嘈杂环境。然而，同时，出于反馈目的，需要能够准确地再现PWM电压输出波形的高带宽感测电路，而高带宽感测电路更易受噪声影响。此外，在非常低的调制指数操作水平下，电压波形脉冲宽度非常窄，并且反射波影响以及空载时间补偿影响变得更加显著，导致更加难以确定反馈信号。因此，仍然需要用于感测输出电压以控制电机驱动器的开关逆变器和其他电力转换应用的改进的方法和装置。
【发明内容】
[0004]现在概述本公开的一个或更多个方面，以助于基本理解本公开，其中，此概述不是对本公开的广泛概览，其目的不是确定本公开的特定特征，也不是划定其范围。替代地，该概览的主要目的是在下文中给出更详细的描述之前以简化形式给出本公开的各个方面。
[0005]本公开提供了包括低调制指数操作点的用于测量逆变器输出电压的装置和技术，通过该装置和技术，能够缓解或克服上面的一些缺点并且能够降低反馈系统部件成本，却不会牺牲对提供至负载的AC电压的准确控制的能力。发明人已认识到，代替试图准确再现在开关逆变器的输出端提供的、包括所有非理想因素和高频成分的PWM电压波形，使用低带宽感测电路来测量或估计在对逆变器开关操作的反馈控制中使用的输出的伏秒或PWM周期平均电压，有助于改善控制和噪声抗扰性。因此，能够使用降低的采样频率，并且能够在使用更低成本的低带宽模拟运算放大器和电路部件的同时对模拟输入信号进行低通滤波。此外，由于能够使用高阻抗分压电路来按比例确定反馈信号，所以转换速率要求变得不严格，因此便于成本降低。
[0006]根据本公开的一个或更多个方面，提供了一种反馈系统，该系统包括:低通滤波器电路，该低通滤波器电路所具有的截止频率低于准确量化被感测的PWM电压信号的所有高频成分所需的频率；转换器电路，其对来自低通滤波器的信号进行采样；以及处理器，其估计所关注的相电压或线-线电压的伏秒值。在某些实现中，例如，通过在相应的PWM周期中将采样值累加并且将累加总值除以采样数量，来在PWM周期上对采样值求平均，以计算估计伏秒值。此外，在某些实施例中，处理器避免累加落入O伏附近的容差范围内的采样值，从而改善伏秒估计的准确性。
[0007]此外，本公开的其他方面提供了用于估计PWM逆变器输出电压的方法，其包括:使用截止频率低于与输出电压波形的最大上升率或下降率对应的输出电压波形频率的低通滤波器对输出电压信号进行低通滤波，以及使用模拟缓冲电路对低通滤波输出电压信号分别进行缓冲。该方法还涉及对缓冲信号进行采样并且根据至少一些采样值来确定所关注的相电压或线-线电压的估计伏秒值。
【附图说明】
[0008]下面的描述和附图详细地给出了本公开的某些例示性实现，这些示例性实现表示可执行本公开的不同原理的几个示例性方式。然而，所例示的的示例没有穷举本公开的许多可能实施例。当结合附图来考虑时，将在下面的详细描述中给出本公开的其他目的、优点和新特征，其中:
[0009]图1是例示根据本公开的一个或更多个方面的具有输出电压反馈系统的示例性电机驱动电力转换系统的示意图；
[0010]图2是例示在根据本公开的图1的电机驱动器中具有初始低通滤波器级和第二级以在模数转换器之前产生缓冲线-线电压信号的示例性输出电压反馈系统实施例的进一步细节的示意图；
[0011]图3是例示另一电压反馈系统实施例的示意图，其中在图1的电机驱动器中对滤波后的线-中性点或线-地信号进行采样；
[0012]图4是示出具有高频成分和其他非理想因素的示例性感测PWM输出电压信号的曲线图，图中示出了最大上升率；
[0013]图5是例示使用图2和图3中的低通滤波器所获得的示例性滤波后输出电压信号的曲线图；
[0014]图6是例示当输出电压信号在预定容差范围之外时选择性累加电压采样的滤波后输出电压信号的曲线图；以及
[0015]图7是例示根据本公开的其他方面的用于估计PWM开关逆变器的输出电压的示例性方法的流程图。
【具体实施方式】
[0016]现在参考附图，下文中结合附图来描述几个实施例或实现方式，其中，全文中相同的附图标记用于表示相同的元件，并且其中各种特征并不一定是按比例绘制。
[0017]图1中例示了电机驱动器110，其经由连接至LCL输入滤波器120的输入端子104从电源102接收三相输入电力。驱动器110包括有源前端(AFE，active front end)整流器130，该有源前端整流器130具有根据来自电机驱动控制器160的整流器开关控制部件162的开关控制信号162a进行操作的开关器件S1-S6，从而转换来自相A、B和C的AC输入电力，以提供在中间DC总线电路140的电容器Cdc两端的DC总线电压Vdc。提供DC总线电压作为至电压源型逆变器150 (VSE，voltage source inverter)的输入，电压源型逆变器150具有开关器件S7-S12，开关器件S7-S12根据来自控制器160的逆变器开关部件166的逆变器开关控制信号166a进行操作，从而在相线U、V和W处产生可变频率、可变幅度AC输出信号，以驱动电机负载106。
[0018]该驱动器还包括输出电压反馈系统170，该输出电压反馈系统170向控制器160的一个或更多个处理器提供用于控制输出逆变器150的操作的反馈信号或值。控制器160使用模拟电路以及一个或更多个处理器和设置有编程指令的相关联的存储器来实现，以根据已知的脉宽调制开关控制原理来实现整流器和逆变器开关控制功能。另外，控制器160的输出电压反馈系统170接收来自逆变器150的输出端子173u、173v以及173w的模拟输出电压反馈信号Vu、Vv以及Vw以及来自电机驱动器110中的传感器的各种其他电压和/或电流反馈信号或值(未示出)。控制器160使用该反馈信号或值，该反馈信号或值包括表示在操作有源前端整流器130和/或逆变器150的过程中为了根据期望的速度、转矩和/或其他设定点值来驱动电机负载106和/或在再生条件器件期间对驱动器110进行操作而用于各种电机控制功能的输出电压的那些反馈信号或值。
[0019]图2例示了输出电压反馈系统170的一个实施例，其包括具有由一系列电阻器和电容器形成的各个低通滤波器电路的三相第一级171，其中，在此实施例中的电阻器还提供了分压电路。例如，关于第一相“U”，由电阻器R1、R2、R3以及RlO形成电阻分压器，其中连接电阻器R3和RlO的节点向第一电压跟随器运算放大器电路174u提供同相输入，第一电压跟随器运算放大器电路174u对相应的线电压信号进行缓冲并且从第一级171提供相应缓冲输出175u。类似地，如图2所示，相电压Vv的输出电压信号173v通过包括电阻器R4、R5、R6和Rll的电阻分压电路来提供，以向相关联的电压跟随器运算放大器电路174v提供同相输入，并且相电压Vw的输出电压信号173w通过由电阻器R7、R8、R9和R12形成的分压电路来提供，以向电压跟随器运算放大器电路174w提供同相输入。输入信号173可以是任何合适的逆变器输出电压测量值，包括但不限于线-中性点电压、线-地电压等。第一级电路171经由分压电阻器和针对每个逆变器输出相的输入电容来提供模拟RC低通滤波器，其中单独通过相关联的放大器174u、174v或174w的寄生输入电容CI1-CI3或者结合相关联的放大器174u、174v或174w的寄生输入电容CI1-CI3和可选外部电容C1-C3来提供低通滤波电容。
[0020]还参考图4，此外，各个低通