一种高压电机控制器过流保护电路的制作方法

1.本实用新型涉及过流保护电路技术领域，特别涉及一种高压电机控制器过流保护电路。


背景技术：

2.目前，随着电源供电系统的不断变化，高压项目已进入到电源供电系统预研阶段。前期各行业开发的低压大功率产品额定电流太大带来对电机及控制器器件冲击大并且导致系统体积重量大器件成本过高。
3.高压系统可将功率做大，高压数字化控制也是系统重要价值体现，控制系统解决方案在减少器件数量和电路尺寸、降低整体bom成本，以及提高系统性能等方面具有更多的优势，优化的外设过流保护电路使得控制系统轻松地完成更多的功能，满足特殊应用。从而更进一步提高效率与动态性能。
4.近年，我国经济快速发展，相关行业对于高压产品需求发展迅速，高压产品市场需求空间不断扩大，高压控制器过流保护电路有助于改善行业内高端产品现状。
5.电机控制器普遍采用的功率拓扑回路是三相逆变桥，将直流母线电压逆变为三相交流输出电压以驱动电机运行，目前三相逆变桥普遍使用的功率开关管，功率开关管的安全可靠性对于电机控制器的安全运行起着关键作用。电机控制器使用过程中，由于电机的绝缘损坏，外部接线短路等原因会引起电机控制器输出过流，过大的输出电流导致功率开关管发热，如果不及时关断功率开关管将导致功率开关管过热损坏。
6.而目前常用的过流保护形式为依靠软件检测进行过流保护。软件检测后进行过流保护的反应速度较慢，不能及时测量出功率器件过流的发生，检测出后再关断输出信号也需较长时间，而功率器件从过流到损坏的时间很短，因此软件保护不能很好地为功率器件提供过流保护。


技术实现要素：

7.本实用新型的目的在于解决上述现有技术的不足，从而提供一种高压电机控制器过流保护电路，提高电机控制器使用中的安全性。
8.一种高压电机控制器过流保护电路，串接在高压电机控制器的各相电源输出端与高压电机控制器的微处理器dsp 及功率开关管的驱动芯片之间，包括依次连接用于获取高压电机控制器各相电源输出端的电流、并将该相电流转换成对应电压的采样调理电路，用于对采样调理电路输出端的电压进行实时监控的故障比较电路，用于将故障比较电路输出的模拟电压信号转换为数字电压信号的模拟/数字隔离电路，以及用于根据模拟/数字隔离电路输出的信号对故障进行锁存的故障锁存电路；所述采样调理电路包括运算放大器u1b、用于采集高压电机控制器各相电源输出端的霍尔传感器、电压跟随器，霍尔传感器连接在运算放大器u1b正向输入端，电压跟随器连接在运算放大器u1b的反向输入端；所述故障比较电路为由比较器u2a及比较器u2b构成的双门限比较器。
9.还包括有一个用于显示故障的故障指示电路，故障指示电路串接在故障锁存电路输出端与地线之间。
10.故障指示电路由串接的电阻r15、发光二极管d2组成。
11.故障锁存电路包括依次相互连接的d锁存器、比较器及逻辑或门，d锁存器输入端与模拟/数字隔离电路输出端连接，d锁存器输出端连接至比较器的正向输入端，比较器的反向输入端加载有比较电压，比较器的输出端及微处理器dsp输出的pwm_en信号分别连接至逻辑或门的两个输入端，逻辑或门的输出端分别连接至d锁存器的使能端、微处理器dsp过流保护信号接受端、驱动芯片使能端。
12.霍尔传感器输入端与高压电机控制器单相电源输出端连接，霍尔传感器输出端经电阻r3与运算放大器u1b的正向输入端连接；电压跟随器包括运算放大器u1a、用于分压的电阻r1、电阻r2，电阻r1、电阻r2串接在5v输入电源与地线之间，运算放大器u1a正向输入端连接至分压电阻r2输入端，运算放大器u1a的输出端一路直接接至运算放大器u1a的反向输入端，另一路经电阻r5后接至运算放大器u1b的反向输入端。
13.运算放大器u1b的正向输入端、反向输入端均接有由电阻及电容组成的滤波电路。
14.比较器u2a的反向输入端与比较器u2b的正向输入端均接有比较基准电压电路，比较器u2a的正向输入端与比较器u2b的反向输入端均与采样调理电路的运算放大器u1b输出端连接；比较器u2a及比较器u2b输出端与rc缓冲电路输入端连接。
15.所述比较基准电压电路由串联在电压源vref与信号模拟地agnd之间的两个电阻分压实现；比较器u2a及比较器u2b输出端经上拉电阻r11后与电压源连接，比较器u2a及比较器u2b输出端还设有rc滤波电路。
16.所述rc滤波电路由电阻r12和一个电容组成。
17.模拟/数字隔离电路包括高压隔离光耦，高压隔离光耦的一个输入端经电阻r13与模拟5v电压源连接，另一个输入端与二极管d1阳极端连接，二极管d1阴极端与比较器u2a及比较器u2b输出端的rc滤波电路输出端连接，高压隔离光耦的一输出端经电阻r14与数字5v电压源连接，另一输出端接地。
18.本实用新型的有益效果是：
19.1.本实用新型提出的高压电机控制器过流保护电路中采样调理电路中的霍尔传感器和模拟/数字隔离电路中的高压隔离光耦（型号tlp2766）均具备高压下强/弱电隔离能力，使得本实用新型提出的过流保护电路在高压下应用具备安全性和可靠性；
20.2.本实用新型提出的高压电机控制器过流保护电路结构简单，系统复杂度低，并且采用高速器件。使得过流保护电路的动作速度在2μs之内，提高高压电机控制器中功率管工作的安全性；
21.3.本实用新型提出的高压电机控制器过流保护电路具备故障指示电路电路，可在控制器故障发生时使得设计人员可以方便的知道过流是否发生；
22.4.本实用新型提出的高压电机控制器过流保护电路应用中，设计人员可通过对故障锁存电路中或门输入引脚的控制而灵活调整过流保护策略。
附图说明
23.图1是本实用新型的结构示意图；
24.图2是采样调理电路的结构示意图；
25.图3是故障比较电路的结构示意图；
26.图4是模拟/数字隔离电路结构示意图；
27.图5是故障锁存电路结构示意图；
28.图6是故障指示电路结构示意图；
29.图中：1、采样调理电路，2、故障比较电路，3、模拟/数字隔离电路，4、故障锁存电路，5、故障指示电路。
具体实施方式
30.为了便于理解本实用新型的内容，下面将结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细描述，以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
31.图1中，本实用新型串接在高压电机控制器的各相电源输出端与高压电机控制器的微处理器dsp 及功率开关管的驱动芯片之间，本实用新型包括采样调理电路1，故障比较电路2，模拟/数字隔离电路3，故障锁存电路4和故障指示电路5。采样调理电路1输入端与高压电机控制器单相电源输出端连接，输出端与故障比较电路2输入端连接，用于采集高压电机控制器的各相电源输出端的电流、并将该电流转换成对应电压输送至故障比较电路2输入端。故障比较电路2输出端与模拟/数字隔离电路3连接，用于将采样调理电路1输出端的电压与设定的比较电压对比，完成对采样调理电路1输出端的电压实时监控，并将监控的故障结果通过模拟信号输送给模拟/数字隔离电路3。模拟/数字隔离电路3输出端与故障锁存电路4输入端连接，用于将故障比较电路2输出的模拟电压信号转换为数字电压信号，并发送至故障锁存电路4进行锁存。故障指示电路5串接在故障锁存电路4输出端与地线之间。
32.一个高压电机控制器总共需要三组本实用新型的过流保护电路，高压电机控制器的三相电源输出端每一相对应一个过流保护电路。
33.图2中，采样调理电路1的霍尔传感器输入端为高压电机控制器输出端的各相电流信号，输出端通过电阻r3连接至运算放大器u1b同相端。运算放大器u1a与电阻r1、电阻r2、电容c1及电源vcca_5v构成电压跟随器，电压跟随器输出端通过电阻r5与运算放大器u1b反向端连接，电源vcca_5v通过串接的电阻r1、电阻r2分压，运算放大器u1a正向输入端连接至电阻r1与电阻r2之间，运算放大器u1a反向输入端与运算放大器u1a输出端连接。霍尔传感器输出信号为一带有直流偏置的电压信号，通过运算放大器u1b后输出至故障比较电路2。运算放大器u1b的正向输入端与地线之间连接有由电阻r4和电容c组成的滤波电路、反向输入端与输出端之间接有由电阻r6及电容c3组成的滤波电路。运算放大器u1a、运算放大器u1b的型号为lm2904。
34.图3中，故障比较电路2为比较器u2a及比较器u2b两只电压比较器构成的双门限比较器。采样调理电路1输出的电压信号同时连接至比较器u2a的同相端和比较器u2b的反向端。比较器u2a的反向输入端与比较器u2b的正向输入端均接有比较基准电压电路，比较基准电压电路由串联在电压源vref与信号模拟地agnd之间的两个电阻分压实现，比较器u2a的反向端与分压电阻r8输入端连接。比较器u2b同相端与分压电阻r10输入端连接。比较器u2a及比较器u2b输出端经上拉电阻r11后与电压源连接，比较器u2a及比较器u2b输出端还设有rc滤波电路。rc滤波电路由电阻r12和一个电容组成。比较器u2a、比较器u2b型号为
lm2901v。
35.在正常工作情况下，采样调理电路1输出电压信号在门限设定范围内，故障比较电路2输出高电平。在过流故障发生时，采样调理电路1输出电压信号在设定范围外，故障比较电路2输出低电平。若过流故障消失，则故障比较电路2输出电平由低转高。
36.图4中，模拟/数字隔离电路3输入端连接故障比较电路2。当故障比较电路2输出高电平时，模拟/数字隔离电路3输出高电平，当故障比较电路2输出低电平时，模拟/数字比较电路3输出低电平。若过流故障消失，则模拟/数字隔离电路3输出由低转高。模拟/数字隔离电路3输出端连接故障锁存电路2故障信号输入端口。模拟/数字隔离电路3包括高压隔离光耦，高压隔离光耦的一个输入端经电阻r13与模拟5v电压源连接，另一个输入端与二极管d1阳极端连接，二极管d1阴极端与比较器u2a及比较器u2b输出端的rc滤波电路输出端连接，高压隔离光耦的一输出端经电阻r14与数字5v电压源连接，另一输出端接地。模拟/数字隔离电路3主要起到信号传递和数字信号及模拟信号隔离的作用，此外还能在采样调理电路霍尔传感器隔离功能丧失的情况下起到隔离强电侧和弱电侧的作用。
37.图5中，故障锁存电路4包括依次相互连接的d锁存器、比较器及逻辑或门，d锁存器的故障信号输入端与模拟/数字隔离电路3输出端连接，d锁存器输出端连接至比较器的正向输入端，比较器的反向输入端加载有设定好的比较电压，设定比较电压使比较器输出电平在非故障时保持高电平，在过流故障时翻转为低电平，比较器的输出端、微处理器dsp输出的pwm_en信号分别连接至逻辑或门的两个输入端，逻辑或门的输出端分别连接至d锁存器的使能端、微处理器dsp（型号为tms320f28335）过流保护信号接受端、驱动芯片（型号为1ed020i12fa）使能端。逻辑或门型号为sn74lvc1g32，d锁存器型号为sn74lv1g373。
38.d锁存器使能引脚电平为高时，d锁存器输出信号电平与故障信号输入端电平一致。当使能引脚电平为低时，d锁存器输出信号电平将保持在使能引脚电平由高转低时刻的故障信号输入端电平。pwm_en信号为在高压电机控制器过流保护电路正常上电自检过程中利用微处理器dsp将其保持在高电平2μs，然后将pwm_en信号置低。使能信号（pwm_en）是由微处理器dsp的数字输出来对模拟电路进行控制，是现有技术手段，本实施例不在赘述。
39.在正常工作的情况下，逻辑或门在pwm_en信号置高期间输出高电平，则d锁存器使能引脚为高电平。
40.在正常工作条件下，故障信号输入端口为高电平，则比较器同相端输入电平为高电平，设定比较电压值为0.5倍d锁存器输出高电平值，d锁存器输出高电平为5v，低电平为0v，0.5倍d锁存器高电平值为2.5v，此时比较器输出高电平，逻辑或门输入端此时pwm_en信号为低电平，比较器输出信号为高电平，则逻辑或门输出高电平至d锁存器使能端，微处理器dsp，驱动芯片及故障指示电路。
41.在过流故障发生时，d锁存器故障信号输入端电平由高转低，此时d锁存器使能端仍为高电平，则d锁存器输出低电平。则比较器同相输入端由高电平变为低电平，比较器输出低电平。此时或门两个输入端电平均为低，则输出低电平。此时d锁存器使能端输入低电平，其输出保持为低电平。则逻辑或门输出也保持为低电平完成故障锁存。微处理器dsp、驱动芯片及故障指示电路均接收低电平信号，驱动芯片输出变为低电平，关断功率管。dsp接收过流故障信号。
42.若过流故障消失，故障锁存电路输入信号电平由低变高，但是由于故障锁存功能
的存在，微处理器dsp、驱动芯片及故障指示电路仍均接收低电平信号。此时可以通过微处理器dsp将pwm_en信号置高，则故障锁存消失，驱动芯片仍可正常工作。
43.图6中，故障指示电路5输入端连接故障锁存电路4输出端，故障指示电路5输出端接地。故障指示电路4由串接的电阻r15、发光二极管d2组成。在正常工作情况下，发光二极管d2发亮。在过流故障发生时，发光二极管d2灭。
44.过流保护电路动作时间及灵敏度通过故障比较电路4输出端的中rc滤波电路进行调节，避免误动作的发生。动作时间具体调节方式如下：向高压电机控制器三相输出电源中注入过流故障，测定故障发生到故障锁存动作完成的时间。若时间长于需求，则增大rc滤波电路电容值，若时间短于需求，则降低rc滤波电路电容值直至时间满足要求。灵敏度具体调节方式如下：向高压电机控制器三相输出电源中注入干扰信号，利用测量仪器测定高压电机控制器故障锁存电路是否误动作，若误动作则增大rc滤波电路电容值，若未误动作则rc滤波电路保持不变。
45.霍尔传感器型号为lksr，运算放大器型号为lm2904，比较器型号为lm2901v或tlv3201-q1，高压隔离光耦型号为tlp2766，逻辑或门型号为sn74lvc1g32，d锁存器型号为sn74lv1g373，电路可在2μs之内完成驱动芯片闭锁动作及故障信号上报。
46.以上实施方式仅用于说明本实用新型，而并非对本实用新型的限制，本实用新型中的一项或多项方法或电路均属于本实用新型的保护范围；有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本实用新型的范畴，本实用新型的专利保护范围应由权利要求限定。