用于变频器死区补偿的电压型反馈电路及电路板的制作方法

1.本实用新型涉及变频器领域，更具体地说，涉及一种用于变频器死区补偿的电压型反馈电路及电路板。


背景技术：

2.随着我国工业化发展日益加速，作为电气传动的核心部件—变频器也得到越来越广泛的应用，并渗透至工业生产的各个领域。
3.变频器是一种利用对工业半导体器件的开关控制实现将工频电源转化为可调可控频率电源的电力电气设备。变频器通常使用脉冲宽度调制(pulse width modulation，pwm)方式控制输出电压的频率和幅值等，在实际应用中，由于变频器中半导体功率器件的固有存储时间的存在，使半导体功率器件的开通时间小于关断时间，为了避免同相桥臂互补开通的两个半导体功率器件的短路故障，通常需将开通信号延迟一个死区时间后发出。半导体功率器件的开通时间、关断时间、死区时间设置和器件导通压降会使半导体功率器件实际输出的电压与给定电压相比产生非线性畸变，进而引发电机电流畸变，影响电机控制性能。
4.为提高控制性能，需要对该死区效应进行补偿。目前，死区补偿的方法主要是反馈补偿，包括电压反馈和电流反馈两种。该两种补偿方式都需要获得变频器的输出反馈量。现有的反馈量采集大多存在实时性较差的问题。


技术实现要素：

5.本实用新型要解决的技术问题在于，针对上述变频器反馈采样实时性较差的问题，提供一种用于变频器死区补偿的电压型反馈电路及电路板。
6.本实用新型解决上述技术问题的技术方案是，提供一种用于变频器死区补偿的电压型反馈电路，包括隔离供电单元和多个反馈支路，每一所述反馈支路包括电阻分压单元、脉冲整形单元以及光耦隔离单元，且在每一所述反馈支路中：所述电阻分压单元的输入端连接变频器的输出端，并将所述变频器的输出电压进行分压、限流后输出；所述脉冲整形单元的输入端与所述电阻分压单元的输出端连接，并将所述电阻分压单元的输出电压转换为预设幅值的脉冲电压后输出；所述光耦隔离单元的原边与所述脉冲整形单元的输出端连接，且所述光耦隔离单元通过副边向所述变频器的主控制器输出信号；所述隔离供电单元的输出端与每一所述反馈支路的脉冲整形单元连接，并为所述脉冲整形单元供电。
7.作为本实用新型的进一步改进，所述脉冲整形单元包括比较器，所述比较器的正相输入端连接基准电压，所述比较器的反相输入端连接所述电阻分压单元的输出端，且所述比较器在所述反相输入端的电压小于正相输入端的电压时输出第一预设电压、在所述反相输入端的电压大于或等于正相输入端的电压时输出第二预设电压。
8.作为本实用新型的进一步改进，所述基准电压为
‑
5v电压，所述第一预设电压为
‑
15v电压，所述第二预设电压为+15v电压。
9.作为本实用新型的进一步改进，所述脉冲整形单元包括稳压二极管、滤波电容、第一电源去耦电容以及至少一个限流电阻，其中：所述限流电阻串联连接在所述电阻分压单元的输出端和比较器的反相输入端之间，所述稳压二极管的阳极连接第一电压源、阴极连接所述比较器的反相输入端，所述滤波电容连接在所述比较器的反相输入端与参考地之间，所述第一电源去耦电容连接在第一电压端子和参考地之间。
10.作为本实用新型的进一步改进，所述隔离供电单元包括输入滤波子单元、直流转换芯片以及输出滤波子单元，所述直流转换芯片的输入引脚经由所述输入滤波子单元连接外部直流电源，所述输出滤波子单元连接到所述直流转换芯片的输出引脚。
11.作为本实用新型的进一步改进，所述输入滤波子单元包括电感、第一电解电容、第一瓷片电容，其中所述电感连接在外部直流电源与所述直流转换芯片的输入引脚之间，所述第一电解电容和第一瓷片电容分别连接在所述直流转换芯片的输入引脚与接地引脚之间。
12.作为本实用新型的进一步改进，所述直流转换芯片包括第一输出引脚、第二输出引脚以及第三输出引脚，且所述第二输出引脚的电压介于第一输出引脚和第三输出引脚的电压之间，并由所述第三输出引脚构成第一电压端子；
13.所述输出滤波子单元包括第二电解电容、第三电解电容、第二瓷片电容以及第三瓷片电容，且所述第二电解电容、第二瓷片电容分别连接在所述第一输出引脚和第二输出引脚之间，所述第三电解电容、第三瓷片电容分别连接在所述第二输出引脚和第三输出引脚之间。
14.作为本实用新型的进一步改进，所述电阻分压单元包括多个串联连接的电阻，且多个反馈支路的电阻分压单元呈星形方式连接。
15.本实用新型还提供一种电路板，所述电路板独立于变频器的主控板，其所述电路板包括第一接口、第二接口以及如上所述的用于变频器死区补偿的电压型反馈电路，所述多个反馈支路分别连接在所述第一接口和第二接口之间，且所述电路板通过所述第一接口连接变频器的输出端，以及通过所述第二接口连接所述变频器的主控板。
16.本实用新型具有以下有益效果：通过将变频器的输出电压转换为预设幅值的脉冲信号后隔离输出，具有强弱电隔离、实时性好等特点。并且，本实用新型将用于变频器死区补偿的电压型反馈电路集成到独立于变频器的主控板的电路板，降低了主控板的元器件布局的难度，具有更大的灵活性和可拓展性。
附图说明
17.图1是本实用新型实施例提供的用于变频器死区补偿的电压型反馈电路的示意图；
18.图2是本实用新型实施例提供的用于变频器死区补偿的电压型反馈电路中隔离供电单元的电路拓扑图；
19.图3是本实用新型实施例提供的用于变频器死区补偿的电压型反馈电路中电阻分压单元的电路拓扑图；
20.图4是本实用新型实施例提供的用于变频器死区补偿的电压型反馈电路中脉冲整形单元的电路拓扑图；
21.图5是本实用新型实施例提供的用于变频器死区补偿的电压型反馈电路中光耦隔离单元的电路拓扑图。
具体实施方式
22.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
23.如图1所示，是本实用新型实施例提供的用于变频器死区补偿的电压型反馈电路的示意图，该电路可对变频器的输出端电压进行采集、处理、并输出到主控板的主控制器(mcu)运算，最终完成死区补偿过程。
24.本实施例的用于变频器死区补偿的电压型反馈电路包括隔离供电单元11和多个反馈支路，且每一反馈支路包括电阻分压单元12、脉冲整形单元13以及光耦隔离单元14，上述每一反馈支路分别与变频器的一路输出，例如u、v、w三相输出中的一相连接，即实现端到端相连。
25.在每一反馈支路中：电阻分压单元12的输入端连接变频器的输出端，并将变频器的输出电压进行分压、限流后输出；脉冲整形单元13的输入端与电阻分压单元12的输出端连接，并将电阻分压单元12的输出电压转换为预设幅值的脉冲电压后输出；光耦隔离单元14的原边与脉冲整形单元13的输出端连接，且光耦隔离单元14通过副边向变频器的主控制器输出信号。
26.隔离供电单元11的输出端与各个反馈支路中的脉冲整形单元13连接，并为脉冲整形单元13供电。具体地，隔离供电单元11可将外部直流电源(例如来自主控板的+24v直流电源)进行转换，得到脉冲整形单元13所需的参考电平(例如
±
15v电压)；此外，在实际应用中，隔离供电单元11还可将外部直流电源转换为光耦隔离单元14所需的电源(例如+5v电压)，并为光耦隔离单元14供电。
27.上述用于变频器死区补偿的电压型反馈电路，通过将变频器的输出电压转换为预设幅值的脉冲信号后隔离输出到主控制器，具有强弱电隔离、实时性好等特点。
28.结合图2所示，在本实用新型的一个实施例中，隔离供电单元11可包括输入滤波子单元、直流转换芯片u1以及输出滤波子单元，其中直流转换芯片u1的输入引脚vin经由输入滤波子单元连接外部直流电源(例如+24v直流电源)，输出滤波子单元则连接到直流转换芯片u1的输出引脚。
29.特别地，直流转换芯片u1可采用wra2415s
‑
3wr2芯片，其最大隔离电压为1.5kv，输入为+24vdc，输出为
±
15vdc，该直流转换芯片u1可防止强电侧的高电压通过+24v损坏变频器的主控板或对弱电侧造成干扰。输入滤波子单元和输出滤波子单元可平滑电压波形和过滤交流信号，提高输出电压的质量。该直流转换芯片u1的输入侧的接地端与强电侧共地，输出侧的中性点(0v)与变频器的主控制器侧共地，强电与弱电侧隔离，防止强电对弱电侧的电磁干扰，以确保变频器的主控制器侧安全稳定。
30.具体地，输入滤波子单元包括电感l、第一电解电容c1、第一瓷片电容c4，其中电感l连接在外部直流电源与直流转换芯片u1的输入引脚vin之间，第一电解电容c1和第一瓷片电容c4分别连接在直流转换芯片u的输入引脚vin与接地引脚gnd之间。直流转换芯片u1包
括第一输出引脚+vo、第二输出引脚0v以及第三输出引脚
‑
vo，且第二输出引脚0v为中性点，其电压介于第一输出引脚+vo和第三输出引脚
‑
vo的电压之间，并由第三输出引脚
‑
vo构成第一电压端子，第一输出引脚+vo构成第二电压端子。输出滤波子单元包括第二电解电容c2、第三电解电容c3、第二瓷片电容c5以及第三瓷片电容c6，且第二电解电容c2、第二瓷片电容c5分别连接在第一输出引脚+vo和第二输出引脚0v之间，第三电解电容c3、第三瓷片电容c6分别连接在第二输出引脚0v和第三输出引脚
‑
vo之间。
31.上述电感l的电感值可选择4.7mh，第一电解电容c1的电容值为50v/100uf，第二电解电容c2和第三电解电容c3的电容值选择25v/100uf，第一瓷片电容c4、第二瓷片电容c5、第三瓷片电容c6的电容值选择50v/0.1uf。
32.结合图3所示，在本实用新型的一个实施例中，电阻分压单元12包括多个串联连接的电阻，且多个反馈支路的电阻分压单元呈星形方式连接。通常，变频器的输出电压为单相220v，电压有效值约为220v*1.2＝264v。在本实施例中，单相采用5个82k电阻r1
‑
r5串联，从而单相电阻总功率为169mw，每个电阻分压52.8v，故电阻r1～r15采用r0805封装方式，耐压值不低于150v，这种选型兼容变频器输出380v电压。三个反馈支路的串联电阻分压获得输出下级电压u_signal、v_signal、w_signal，为1/5单相电压有效值。为方便测试，可在电阻分压单元12的接地端串入22r电阻r0，从而接地端电流、电压总和分别为0a、0v，电阻r0的规格可根据需要调整。
33.结合图4所示，在本实用新型的一个实施例中，脉冲整形单元13包括比较器u2，该比较器u2的正相输入端连接基准电压、反相输入端连接电阻分压单元12的输出端，且比较器u2在反相输入端的电压小于正相输入端的电压时输出第一预设电压、在反相输入端的电压大于或等于正相输入端的电压时输出第二预设电压。特别地，上述基准电压可以为
‑
5v电压，第一预设电压为
‑
15v电压，第二预设电压为+15v电压。
34.以下以对u_signal信号进行脉冲整形为例，说明脉冲整形单元13的工作原理：首先经过两个串联连接的限流电阻限流r18、r19以及稳压二极管(例如，该稳压二极管的稳压值为10v、工作电流峰值为20ma，且该稳压二极管的正极接入
‑
15v电平，即隔离供电单元11的第一电压端子)。当u_signal电压范围为
‑
52.8～+52.8，限流电阻r18、r19承受电压范围为
‑
37.5v～57.8v，因此可选择阻值为10k、封装为r0805的电阻。电压经过稳压二极管后，由于稳压二极管的正极接入
‑
15v电平，因此当u_signal电平高于
‑
5v时，被稳定在
‑
5v；当u_signal电平低于
‑
15v时，被稳定在
‑
15v。经过滤波电容c8后，输入到比较器u2的反相输入端。比较器u2的正相输入端的基准电压可由隔离供电单元11的第一电压端子电压分压而得，例如可取分压电阻r16、r17分别为2k、1k，封装为r0805或r0603，使得基准电压为
‑
5v。
35.这样，当比较器u2的反相输入端输入
‑
15v时，比较器u2的输出信号u_phase为高电平+15v；当反相输入端输入
‑
5v时，比较器u2输出信号u_phase为低电平
‑
15v。
36.光耦隔离单元14可采用acpl
‑
m61l高速光耦，其导通/关断延时短，信号质量高，正常工作压降为1.7v，导通电流在1.5ma左右。高速光耦的输出电源端采用+5v供电，输出信号u_mcu到变频器的主控制器。当u_signal信号为+15v时，u_mcu为低电平；当u_signal信号为
‑
15v时，u_mcu为高电平。
37.本实用新型还提供一种电路板，该电路板独立于变频器的主控板，其该电路板包括第一接口、第二接口以及如上所述的用于变频器死区补偿的电压型反馈电路，其中多个
反馈支路分别连接在第一接口和第二接口之间，且电路板通过第一接口连接变频器的输出端，以及通过第二接口连接所述变频器的主控板。主控板通过第二接口提供+24v和+5v电压给电路板，电路板把处理好的信号送至主控板的主控制器(mcu)进行死区补偿运算。隔离供电单元11利用+24v得到
±
15v电压为脉冲整形单元13提供参考电平，+5v电源为光耦隔离单元提供电源。
38.通过将用于变频器死区补偿的电压型反馈电路集成到独立于变频器的主控板的电路板，降低了主控板的元器件布局的难度，具有更大的灵活性和可拓展性。
39.以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，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该以权利要求的保护范围为准。