专利名称：一种功率单元直流母线电压检测电路的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及变频器研发技术领域，尤其涉及一种功率单元直流母线电压检测电路。
背景技术：
功率单元模块作为高压变频器中功率输出的最重要部件，其功能性、可靠性、安全性直接决定产品在用户工况中的使用。当变频器带载运行时，电动机在运转中如果降低指令频率过快，则电动状态将变为发电状态运行，再生出来的能量贮积在变频器的直流电容器中，由于电容器的容量和耐压的关系，就需要对电压进行及时、准确地检测，给变频器提供准确、可靠的信息，使变频器在过压时进行及时、有效的保护处理。同时变频器上电过程、 下电过程都需要判断当前直流母线电压的状态来判断程序下一步的动作。鉴于母线电压检测的重要性，在变频器设计中对母线电压进行准确、有效检测的方法是十分必要的。由于微型电子计算机在工业领域中的应用，促进了模数变换技术的发展。在电力系统自动化的应用中，需要进行诸如频谱分析、事件记录、故障分析等工作，直接的交直流采样已成为一种趋势。目前大多厂家采用A/D器件对功率单元母线电压进行采样分析。A/ D转换器件采样最简单的办法是在被测电路中串入精密电阻分压，通过直接采集电阻两端的电压来获得电流。A/D器件只能转换一定范围的电压信号，所以在电压转换过程中，需要选择合适阻值的精密电阻。A/D器件采样的工作原理如图1所示，直流母线电压通过电阻分压或者电压霍尔检测发送给A/D器件模数转换，由所述A/D器件模数转换处理后，通过光电隔离电路发送给CPU处理，从而实现功率单元直流母线电压的检测。在现有实现的过程中，设计人发现现有技术中存在如下问题现有技术中A/D采样器件在工业及现场的监控中，由于环境的恶劣性，在强的电磁干扰下，其系统的抗干扰能力、可靠性不高。尤其是，在多路高速数据采集系统中往往不得不降低整个系统的指标来满足可靠性和精度的要求。此外，A/D转换器在电路设计和算法控制上也比较复杂。
实用新型内容本实用新型的实施例提供一种功率单元直流母线电压检测电路。为达到上述目的，本实用新型的实施例采用如下技术方案本实用新型提供的一种功率单元直流母线电压检测电路，包括采样电路，滤波电路，V/F变换，光耦隔离电路，处理器，光纤通讯电路；所述采样电路，用于实时采样直流母线电压信号；所述滤波电路，用于根据系统对精度及速度的要求，对所述采样电路输出的电压信号进行滤波；所述V/F变换电路，用于将所述经过滤波处理后的实时采样的电压信号转换为对应的频率脉冲序列信号，完成模拟信号到数字信号的变换；[0011]所述光耦隔离电路，用于隔离所述采样电路，所述滤波电路，所述V/F变换与所述处理器；所述处理器，用于将所述V/F变换的电压信号转为可用的数字量信号，及驱动所述光纤通讯电路；所述光纤通讯电路，用于将所述数字量信号上传给系统主控制器。本实用新型实施例提供的一种功率单元直流母线电压检测电路，通过采样电路， 滤波电路，V/F变换，光耦隔离电路，处理器，光纤通讯电路；所述采样电路，用于实时采样直流母线电压信号；所述滤波电路，用于根据系统对精度及速度的要求，对所述采样电路输出的电压信号进行滤波；所述V/F变换电路，用于将所述经过滤波处理后的实时采样的电压信号转换为对应的频率脉冲序列信号，完成模拟信号到数字信号的变换；所述光耦隔离电路，用于隔离所述采样电路，所述滤波电路，所述V/F变换与所述处理器；所述处理器，用于将所述V/F变换的电压信号转为可用的数字量信号，及驱动所述光纤通讯电路；所述光纤通讯电路，用于将所述数字量信号上传给系统主控制器。采用本实用新型不但可以提高整个系统的抗干扰能力、可靠性，而且由于对直流母线电压的实时采集，保证了功率单元的安全性，降低了变频器的故障率。由于V/F转换电路设计简单，控制方便，成本低廉等优点， 大大提高了生产效率，还降低了功率单元直流母线电压检测电路的复杂程度。
图1为现有技术中采用A/D器件采样实现功率单元直流母线电压检测电路结构示意图；图2为本实用新型实施例提供的一种功率单元直流母线电压检测电路结构示意图；图3为本实用新型实施例提供的一种功率单元直流母线电压检测电路中采样电路结构示意图；图4为本实用新型实施例提供的一种功率单元直流母线电压检测电路中滤波电路与V/F变换电路结构示意图；图5为本实用新型实施例提供的一种功率单元直流母线电压检测电路控制V/F变换的底层软件实现流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型实施例提供的一种功率单元直流母线电压检测电路进行详细描述。如图2所示，为本实用新型实施例提供的一种功率单元直流母线电压检测电路结构示意图；该电路包括采样电路，滤波电路，V/F变换，光耦隔离电路，处理器，光纤通讯电路；所述采样电路，用于实时采样直流母线电压信号；母线电压采样范围一般在0 1300V之间，因此该功能电路的重要任务是根据后面电路的需要将母线电压降压到-12V +12V。通过选择合适的采样电阻参数，利用电阻分压技术，将0 1300V直流母线电压降压到规定的范围，同时对于输入的直流母线电压还应设置过、欠压保护功能。本方案中电阻分压技术通过匹配合适的电阻同时采用二极管IN4148钳位及运算放大器LM324电压跟随器
来完成。所述滤波电路，用于根据系统对精度及速度的要求，对所述采样电路输出的电压信号进行滤波；如图4所示，本实用新型选择一阶RC无源滤波器来完成本功能，同时需要在采样电阻侧输出并联一滤波电容C311，以滤除电压信号的瞬间尖峰。所述V/F变换电路，用于将所述经过滤波处理后的实时采样的电压信号转换为对应的频率脉冲序列信号，完成模拟信号到数字信号的变换；该功能模块为整个设计的关键部位，要求转换精度高、速度快、线性度好、抗干扰能力强、温度稳定性好、接口形式简单等重要性能指标，根据这些重要的性能指标，可以选择专用的集成芯片IC来完成，本设计如图4所示，选用美国NS公司的LM331来完成。V/F变换电路的工作原理当输入端VINAD 输入一正电压时，输出端FOUT为逻辑低电平，同时电源Vdd也通过电阻R338对电容C325 充电，当电容C325两端充电电压大于Vdd的2/3时，输出端FOUT为逻辑高电平，电容C325 通过内部复零晶体管迅速放电，并且此时电容C324对电阻R337放电。当电容C325放电电压等于输入电压VINAD时，输出端FOUT再次为逻辑低电平。如此反复循环，构成自激振荡。 输出脉冲频率FOUT与输入电压VINAD成正比，从而实现了电压-频率变换。所述光耦隔离电路，用于隔离所述采样电路，所述滤波电路，所述V/F变换与所述处理器，以保护后端处理器及其他的工作电路，来保证整个系统的可靠性；要求隔离电压高、传输速度快、接口方便，如图4所示本次设计选用Agilent Technologies公司的6W37 来完成。当芯片6W37的2脚电压信号大于3脚的输入信号时，内部二极管发光，6脚VO输出高电平；相反当2脚电压信号小于3脚的输入信号时，内部二极管不发光，6脚VO输出高电平。所述处理器，用于将所述V/F变换的电压信号转为可用的数字量信号，及驱动所述光纤通讯电路；将数字量信息上传给系统主控制器去完成相应的控制逻辑或算法等；要求通过软件算法对V/F变换的脉冲序列进行计算，等到目标电压值，并且可以转换为高速数字串行数据传送给后端环节，考虑系统需求及本设计需求两个主要因素，选择ALTER公司的CPLD逻辑处理芯片EPM3256ATC144-10来完成，底层软件算法参见图5所示流程图，该底层软件算法为设定时时间4ms，CPLD检测V/F变换输出频率脉冲上升沿，每检测到一频率脉冲上升沿，定时计数器加1，直到4ms定时间结束。计数总数最后乘以5得到最大目标电压值，流程结束。所述光纤通讯电路，用于将所述数字量信号上传给系统主控制器。主要完成环节 5所述的处理器-CPU与主控制器之间的高速、高抗干扰性及高隔离电压的串行数据传输； 本设计选用Agilent Technologies公司的HFBR-1521、HFBR-2521的来完成串行数据的发送、接收，其通讯速率可以通过处理器按照HFBR-1521、HFBR-2521芯片的性能来配置，一般配置为500KHz 5. 5MHz范围内。需要注意的是，所述V/F变换电路如图4所示，该V/F变换电路包括第一电阻 R334、第二电阻R335、第三电阻R336、第四电阻R337、第五电阻R338、第六电阻R339、第七电阻R340、调零电阻RP34、增益调节电阻RP35、第一电容C324、第二电容C325和信号变换模块 LM331 ；所述第一电阻R334的一端接V/F输入端参考电压(REF-V/F)，另一端接所述调零电阻RP34的一端；所述调零电阻RP34的另一端接地；所述调零电阻RP34的滑动触头端与所述第二电阻R335 —端相连；所述第二电阻R335的另一端分别与所述第三电阻R336、所述第四电阻R337相连；所述第三电阻R336另一端接地；所述第四电阻R337另一端与所述信号变换模块 LM331相连；所述第一电容C324并联与所述第四电阻的两端；所述第二电容C325 —端分别与所述第五电阻R338、所述信号变换模块LM331相连，另一端接地；所述第五电阻R338另一端接电压源(+12V)；所述第七电阻R340 —端与所述电压源(+12V)相连，另一端与所述光耦隔离电路相连；所述第六电阻R339 —端与所述信号变换模块LM331相连，另一端与所述增益调节电阻RP35相连；所述增益调节电阻RP35的另一端与其滑动触头端接地。还需要注意的是，所述滤波电路包括第八电阻R332、第九电阻R333和第三电容C323 ；所述第八电阻R332 —端接所述采样电路(即接收信号VINAD)，另一端接地；所述第九电阻R333 —端接所述采样电路(即接收信号VINAD)，另一端分别与所述第三电容C323、所述V/F变换电路的信号变换模块LM331相连。还需要注意的是，所述采样电路包括第十电阻R301、第i^一电阻R302、第十二电阻R303、第十三电阻R304、第十四电阻R305、第四电容C311、第一二极管V301、第二二极管V302和运算放大器 LM324 ；所述第十电阻R301 —端接所述功率单元直流母线电压输入端一，另一端接所述第—^一电阻R302 ；所述第十二电阻R303 —端接所述功率单元直流母线电压输入端二，另一端接所述第十三电阻R304 ；所述第十一电阻R302的另一端分别与所述第十四电阻R305、所述第四电容C311 的一端相连；所述第十三电阻R304的另一端分别与所述第十四电阻R305、所述第四电容 C311的另一端相连，并接地；所述第一二极管V301的负极端接所述电压源(+12V)，正极端分别与所述第二二极管V302的负极端、所述运算放大器LM324的正极端相连；所述第二二极管V302的正极端接地；所述运算放大器LM324的负极端与所述运算放大器N301D的输出端相连，输出信号VINAD给所述滤波电路。本实用新型实施例提供的一种功率单元直流母线电压检测电路，通过采样电路， 滤波电路，V/F变换，光耦隔离电路，处理器，光纤通讯电路；所述采样电路，用于实时采样直流母线电压信号；所述滤波电路，用于根据系统对精度及速度的要求，对所述采样电路输出的电压信号进行滤波；所述V/F变换电路，用于将所述经过滤波处理后的实时采样的电压信号转换为对应的频率脉冲序列信号，完成模拟信号到数字信号的变换；所述光耦隔离电路，用于隔离所述采样电路，所述滤波电路，所述V/F变换与所述处理器；所述处理器，用于将所述V/F变换的电压信号转为可用的数字量信号，及驱动所述光纤通讯电路；所述光纤通讯电路，用于将所述数字量信号上传给系统主控制器。采用本实用新型不但可以提高整个系统的抗干扰能力、可靠性，而且由于对直流母线电压的实时采集，保证了功率单元的安全性，降低了变频器的故障率。由于V/F转换电路设计简单，控制方便，成本低廉等优点， 大大提高了生产效率，还降低了功率单元直流母线电压检测电路的复杂程度。 以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式
，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
权利要求1.一种功率单元直流母线电压检测电路，其特征在于，包括采样电路，滤波电路，V/F 变换，光耦隔离电路，处理器，光纤通讯电路；所述采样电路，用于实时采样直流母线电压信号；所述滤波电路，用于根据系统对精度及速度的要求，对所述采样电路输出的电压信号进行滤波；所述V/F变换电路，用于将所述经过滤波处理后的实时采样的电压信号转换为对应的频率脉冲序列信号，完成模拟信号到数字信号的变换；所述光耦隔离电路，用于隔离所述采样电路，所述滤波电路，所述V/F变换与所述处理器；所述处理器，用于将所述V/F变换的电压信号转为可用的数字量信号，及驱动所述光纤通讯电路；所述光纤通讯电路，用于将所述数字量信号上传给系统主控制器。
2.根据权利要求1所述的功率单元直流母线电压检测电路，其特征在于，所述V/F变换电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、调零电阻、增益调节电阻、第一电容、第二电容和信号变换模块；所述第一电阻的一端接V/F输入端参考电压(REF-V/F)，另一端接所述调零电阻的一端；所述调零电阻的另一端接地；所述调零电阻的滑动触头端与所述第二电阻一端相连； 所述第二电阻的另一端分别与所述第三电阻、所述第四电阻相连； 所述第三电阻另一端接地；所述第四电阻另一端与所述信号变换模块相连； 所述第一电容并联与所述第四电阻的两端；所述第二电容一端分别与所述第五电阻、所述信号变换模块相连，另一端接地； 所述第五电阻另一端接电压源；所述第七电阻一端与所述电压源相连，另一端与所述光耦隔离电路相连； 所述第六电阻一端与所述信号变换模块相连，另一端与所述增益调节电阻相连； 所述增益调节电阻的另一端与滑动触头端接地。
3.根据权利要求1或2所述的功率单元直流母线电压检测电路，其特征在于，所述滤波电路包括第八电阻、第九电阻和第三电容；所述第八电阻一端接所述采样电路，另一端接地；所述第九电阻一端接所述采样电路，另一端分别与所述第三电容、所述V/F变换电路的信号变换模块相连。
4.根据权利要求3所述的功率单元直流母线电压检测电路，其特征在于，所述采样电路包括第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第四电容、第一二极管、第二二极管和运算放大器；所述第十电阻一端接所述功率单元直流母线电压输入端一，另一端接所述第十一电阻；所述第十二电阻一端接所述功率单元直流母线电压输入端二，另一端接所述第十三电阻；所述第十一电阻的另一端分别与所述第十四电阻、所述第四电容的一端相连；所述第十三电阻的另一端分别与所述第十四电阻、所述第四电容的另一端相连，并接地；所述第一二极管的负极端接所述电压源，正极端分别与所述第二二极管的负极端、所述运算放大器的正极端相连；所述第二二极管的正极端接地；所述运算放大器的负极端与所述运算放大器的输出端相连，输出信号给所述滤波电路。
专利摘要本实用新型公开了一种功率单元直流母线电压检测电路，该电路包括采样电路，滤波电路，V/F变换，光耦隔离电路，处理器，光纤通讯电路；所述采样电路，用于实时采样直流母线电压信号；所述滤波电路，用于根据系统对精度及速度的要求，对所述采样电路输出的电压信号进行滤波；所述V/F变换，用于将所述经过滤波处理后的实时采样的电压信号转换为对应的频率脉冲序列信号，完成模拟信号到数字信号的变换；所述光耦隔离电路，用于隔离所述采样电路，所述滤波电路，所述V/F变换与所述处理器；所述处理器，用于将所述V/F变换的电压信号转为可用的数字量信号，及驱动所述光纤通讯电路；所述光纤通讯电路，用于将所述数字量信号上传给系统主控制器。
文档编号G01R19/252GK202256484SQ20112035999
公开日2012年5月30日 申请日期2011年9月23日 优先权日2011年9月23日
发明者王莎, 褚立峰, 陈鹏 申请人:北京动力源科技股份有限公司