一种母线电流采样电路和永磁同步电机的制作方法

1.本技术涉及电机电路领域，尤其涉及一种母线电流采样电路和永磁同步电机。


背景技术：

2.现有的技术中，对于单电阻采样电路，通常两种方式获取母线电流，第一种是通过霍尔传感器检测相电流从而估算母线电流；第二种是通过在一个脉宽调制波周期内，基于三相电流及其作用时间来估算母线电流。第一种方式虽然精度高，但电路复杂度较高，体积较大，成本高。第二种方式虽然成本低，但是准确度不高。


技术实现要素：

3.鉴于上述问题，本技术提出一种母线电流采样电路和永磁同步电机。
4.本技术实施例提出一种母线电流采样电路，应用于永磁同步电机的驱动电路，所述母线电流采样电路包括：运算放大器、平衡电路、偏置电路、放大调节电路和滤波积分电路；
5.所述驱动电路的母线设置一串联的采样电阻，所述采样电阻靠近桥臂的一端连接所述平衡电路；
6.所述运算放大器分别连接所述放大调节电路、所述滤波积分电路、所述平衡电路和所述偏置电路；所述平衡电路还连接所述偏置电路；所述放大调节电路还连接所述滤波积分电路；
7.所述平衡电路用于采集所述驱动电路的相电流；
8.所述偏置电路用于稳定所述运算放大器的输入电压；
9.所述放大调节电路用于调节所述运算放大器的放大的倍数；
10.所述滤波积分电路用于将所述运算放大器输出的电流进行滤波积分，输出母线电流。
11.进一步地，在上述的母线电流采样电路中，所述放大调节电路包括阻抗匹配电阻和反馈电阻；
12.所述阻抗匹配电阻的一端分别连接所述反馈电阻的一端和所述运算放大器的反相输入端，所述阻抗匹配电阻的另一端接地；
13.所述反馈电阻的另一端分别连接所述运算放大器的输出端和所述滤波积分电路。
14.进一步地，在上述的母线电流采样电路中，还包括第一电容，所述第一电容并联至所述反馈电阻的两端。
15.进一步地，在上述的母线电流采样电路中，所述偏置电路包括第一偏置电阻和第二偏置电阻；
16.所述第一偏置电阻的一端分别连接所述平衡电路、所述第二偏置电阻和所述运算放大器的正相输入端，所述第一偏置电阻的另一端接第二电平；
17.所述第二偏置电阻的一端分别连接所述第一偏置电阻的一端、所述平衡电路和所
述运算放大器的正相输入端，所述第二偏置电阻的另一端接地。
18.进一步地，在上述的母线电流采样电路中，还包括第二电容，所述第二电容并联至所述第二偏置电阻的两端。
19.进一步地，在上述的母线电流采样电路中，所述平衡电路包括平衡电阻，所述平衡电阻的一端用于采集相电流，所述平衡电阻的另一端分别连接所述运算放大器的正相输入端和所述偏置电路。
20.进一步地，在上述的母线电流采样电路中，所述阻抗匹配电阻和所述平衡电阻的阻值相等；所述第一偏置电阻和第二偏置电阻的阻值相等；所述第一偏置电阻的阻值是所述反馈电阻的阻值的两倍。
21.进一步地，在上述的母线电流采样电路中，所述滤波积分电路包括滤波电阻和滤波电容；
22.所述滤波电阻的一端分别连接所述运算放大器的输出端和所述放大调节电路，所述滤波电阻的另一端连接所述滤波电容的一端，所述滤波电阻的另一端还用于输出所述母线电流，所述滤波电容的另一端接地。
23.进一步地，在上述的母线电流采样电路中，还包括第三电容，所述第三电容的一端分别连接所述运算放大器的输出端和所述放大调节电路，所述第三电容的另一端接地。
24.本技术的另一实施例还提出一种永磁同步电机，包括上述的母线电流采样电路。
25.本技术的实施例具有以下的有益效果：
26.本技术实施例通过构造一种新的电路来直接采集永磁同步电机中的母线电流，在保证母线电流的准确度的前提下，降低母线电流采样电路的复杂程度，减小母线电流采样电路的体积，提高成本。
附图说明
27.为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对本技术保护范围的限定。在各个附图中，类似的构成部分采用类似的编号。
28.图1示出了本技术一些实施方式的母线电流采样电路的第一结构示意图；
29.图2示出了本技术一些实施方式的永磁同步电机的驱动电路的结构示意图；
30.图3示出了本技术一些实施方式的永磁同步电机的逆变器空间电压矢量示意图；
31.图4示出了本技术一些实施方式的永磁同步电机的驱动电路的第一电流流向示意图；
32.图5示出了本技术一些实施方式的永磁同步电机的驱动电路的第二电流流向示意图；
33.图6示出了本技术一些实施方式的母线电流采样电路的第二结构示意图。
具体实施方式
34.下面将结合本技术实施例中附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。
35.通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来
布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
36.在下文中，可在本技术的各种实施例中使用的术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
37.此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
38.除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本技术的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本技术的各种实施例中被清楚地限定。
39.下面结合附图，对本技术的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互结合。
40.通常地，通过额外增加霍尔传感器的电路体积来精确计算母线电流的电路较为复杂，体积较大，提成本。而利用单电阻采样电路中的每相电流与对应的作用时间的相乘得到的母线电流误差较大。所以，亟需一种既满足母线电流的准确度，又满足较低成本的方案。
41.因此，本技术提出一种母线电流采样电路和永磁同步电机来解决上述问题。
42.请参照图1，为本技术实施例提出的母线电流采样电路的一种结构示意图。示范性地，该母线电流采样电路应用于永磁同步电机中。
43.在一些实施方式中，一种母线电流采样电路，应用于永磁同步电机的驱动电路，母线电流采样电路包括：运算放大器110、平衡电路120、偏置电路130、放大调节电路和滤波积分电路150；
44.驱动电路的母线设置一串联的采样电阻，采样电阻靠近桥臂的一端连接平衡电路120；运算放大器110分别连接放大调节电路140、滤波积分电路150、平衡电路120和偏置电路130；平衡电路120还连接偏置电路130；放大调节电路140还连接滤波积分电路150。
45.平衡电路120用于采集驱动电路的相电流；偏置电路130用于稳定运算放大器110的输入电压；放大调节电路用于调节运算放大器110的放大的倍数；滤波积分电路150用于将运算放大器110输出的电流进行滤波积分，输出母线电流。
46.具体地，运算放大器110的正相输入端分别连接平衡电路120和偏置电路130，运算放大器110的反相输入端连接放大调节电路，运算放大器110的输出端连接滤波积分电路150，运算放大器110的电源端连接第一电平，运算放大器110的接地端接地。
47.通常地，对于单电阻采样电路，如图2至图3所示，当空间电压矢量uref分布在第一扇区内，空间电压矢量uref主要由基本电压矢量u1和u2作用合成。当基本矢量u1(100)作用时，对应的桥臂开关状态为q1、q4和q6开关管导通，其余开关管关闭，此时形成了图4所示的电流通路回路。从图4中可知，此时母线电流idc与相电流ia存在对应关系，即idc＝ia。当基
本矢量u2(110)作用时，对应的桥臂开关状态为q1、q3和q6开关管导通，其余开关管关闭，此时形成了图5所示的电流通路回路。从图5中可知，此时母线电流idc与相电流ic存在对应关系，即idc＝-ic(电流流经中心点为正，流出中心点为负)。此时，如果在一个pwm周期内进行两次电流采样即可以得到两相电流值ia和ic，若通过基尔霍夫定律则还可以得到ib。其它扇区和第一扇区一样，每个扇区只能采集两相电流。通过两相电流和对应的作用时间即可得到估算出母线电流。
48.而本技术将母线电流采样电路的平衡电路120连接图2中采样电阻rs靠近桥臂的一端(如图中isen_bus处所示)来采集一个pwm周期内母线的平均电流(本技术的母线采集电路输出的母线电流即为所需的一个pwm周期内母线平均的电流)。
49.需要说明得是，为防止采样电阻两端电压过大，以及采样电阻的存在功率限制，一般采样电阻的阻值都很小，那么其两端的压差也很小，如果直接输入单片机的adc进行采集，那么单片机很难分辨出来。所以为了提高分辨率，需要对电压进行放大，因此，本技术通过运算放大器110进行放大。
50.在一些实施方式中，如图6所示，母线电流采样电路中的放大调节电路包括阻抗匹配电阻r1和反馈电阻r2；
51.阻抗匹配电阻r1的一端分别连接反馈电阻r2的一端和运算放大器110的反相输入端，阻抗匹配电阻r1的另一端接地；反馈电阻r2的另一端分别连接运算放大器110的输出端和滤波积分电路150。
52.具体地，可以通过调节阻抗匹配电阻r1和反馈电阻r2的阻值大小来调节运算放大器110输出电信号的放大倍数。其中，阻抗匹配电阻r1用来阻抗匹配。可想到的是，对于不同的应用场景，放大倍数可以任意设置，这里不做限定。
53.在一些实施方式中，如图6所示，母线电流采样电路还包括第一电容c1，第一电容c1并联至反馈电阻r2的两端。其中，第一电容c1用于高倍放大，起减缓输出信号变化的作用，有利于输出信号稳定。可选择地，第一电容c1的容值范围为50-200pf，优选地，第一电容c1的容值为100pf。
54.在一些实施方式中，如图6所示，母线电流采样电路的偏置电路130包括第一偏置电阻r3和第二偏置电阻r4；
55.第一偏置电阻r3的一端分别连接平衡电路120、第二偏置电阻r4和运算放大器110的正相输入端，第一偏置电阻r3的另一端接第二电平。
56.第二偏置电阻r4的一端分别连接第一偏置电阻r3的一端、平衡电路120和运算放大器110的正相输入端，第二偏置电阻r4的另一端接地。
57.具体地，由于运算放大器110的正相输入端输入的电压可能为正可能为负，而如输入负电压则会使得运算放大器110输出的也为负电压，最后运算放大器110输出的电压是由芯片mcu采集得到的，而mcu无法识别负电压。因此，为了解决此问题，本技术增加一偏置电路130提供偏置电压使得输入的电压经过偏置电路130升压后得到正电压。另外，该偏置电路130还能提升运算放大器110的输出电压的抗干扰能力，得到更加稳定的信号。
58.在一些实施方式中，如图6所示，母线电流采样电路还包括第二电容c2，第二电容c2并联至第二偏置电阻r4的两端。其中，第二电容c2用于滤除输入信号高频杂波(滤的是偏置电压的波)。在实验过程中发现，优选地，第二电容c2选择pf级别，这样能达到快速响应的
效果，若使用uf或者nf级别的电容，则响应比较慢，达不到瞬时检测的目的。
59.在一些实施方式中，如图6所示，母线电流采样电路的平衡电路120包括平衡电阻r5，平衡电阻r5的一端用于采集相电流，平衡电阻r5的另一端分别连接运算放大器110的正相输入端和偏置电路130。其中，平衡电阻r5用来匹配输入阻抗。
60.优选地，平衡电阻r5的阻值与阻抗匹配电阻r1的阻值一样，这样可以使得运算放大器110的失调电流和偏执电流带来的影响降到最低，使得输出的母线电流更加准确。
61.在一些实施方式中，在计算的过程中，根据运算放大器110的虚短和虚断特性以及电路的叠加定理可得：
[0062][0063]
其中，vo为运算放大器110的输出电压；v1为平衡电阻r5的输入电压；v2为反馈电阻r2和阻抗匹配电阻r1之间的端点电压；r1为阻抗匹配电阻的阻值；r2为反馈电阻的阻值；r3为第一偏置电阻的阻值；r4为第二偏置电阻的阻值；r5为平衡电阻的阻值；3.3为第二电平的电压，即第一偏置电阻r3一端所接电压。
[0064]
因此，可令母线电流采样电路中的阻抗匹配电阻r1和平衡电阻r5的阻值相等；第一偏置电阻r3和第二偏置电阻r4的阻值相等；第一偏置电阻r3的阻值是反馈电阻r2的阻值的两倍。
[0065]
若第一电平和第二电平选择3.3v电压，则偏置电压为1.65v。输入信号负压最大为-1.65v。需要注意的是，阻抗匹配电阻r1的阻值和反馈电阻r2的阻值要与采样电阻rs的阻值配合，若流过电流采样电阻的电流为i，则i*rs*r2/r1《1.65。
[0066]
另外，在第一偏置电阻r3和第二偏置电阻r4并联的阻值等于反馈电阻r2的阻值的前提下，反馈电阻r2与阻抗匹配电阻r1的阻值即为该电路放大倍数。比如放大10倍，则反馈电阻r2的阻值是阻抗匹配电阻r1的10倍。
[0067]
需要注意的是，将第一偏置电阻r3和第二偏置电阻r4的阻值均设置为500kω，则第一偏置电阻r3和第二偏置电阻r4构成阻值为1mω的串联回路，3.3v/1mω＝3.3ua，电流阻值非常小，抗干扰能力就很弱，根据实际实验数据可得，该通路电流在1ma左右可保证抗干扰，即第一偏置电阻r3和第二偏置电阻r4的阻值选取保证两者构成的串联回路电流保持在1ma左右即可。
[0068]
在一些实施方式中，如图6所示，母线电流采样电路中的滤波积分电路150包括滤波电阻r6和滤波电容c3；
[0069]
滤波电阻r6的一端分别连接运算放大器110的输出端和放大调节电路，滤波电阻r6的另一端连接滤波电容c3的一端，滤波电阻r6的另一端还用于输出母线电流，滤波电容c3的另一端接地。
[0070]
具体地，由于母线电流带有文波，为了消除电路中的文波，本技术采用滤波电阻r6和滤波电容c3组成的低通滤波器电路，经过低通滤波后将母线电流中的高频成分滤除，使得电路输出的信号更加平稳。可选择地，滤波电阻r6的取值范围为50-200ω，优选地，滤波电阻r6为取100ω。
[0071]
在一些实施方式中，如图6所示，母线电流采样电路还包括第三电容c4，第三电容c4的一端分别连接运算放大器110的输出端和放大调节电路，第三电容c4的另一端接地。
[0072]
可选择地，第三电容c4和滤波电容c3都取2.2uf或者当只有滤波电容c3时，滤波电容c3取4.7uf。
[0073]
根据实验数据得到，当没有第三电容c4，只有滤波电容c3，且滤波电容c3取4.7uf时，运算放大器110输出的电流无纹波且延时小。
[0074]
本技术实施例通过构造一种新的电路来直接采集永磁同步电机中的母线电流，在保证母线电流的准确度的前提下，降低母线电流采样电路的复杂程度，减小母线电流采样电路的体积，提高成本。根据实际计算，本技术的母线电流采样电路的成本远低于现有技术中利用的霍尔传感器的成本。另外本技术采样得到的母线电流的误差比现有技术“单个载波周期内的两相相电流与在母线电流中的作用时间相乘得到母线电流”的误差低8％左右。
[0075]
本技术的另一实施例还有提出一种永磁同步电机，包括上述的母线电流采样电路。
[0076]
具体地该永磁同步电路可运用于电动车(两轮、多轮等)、工业机器人和其它电子设备。
[0077]
可以理解，本实施例中的电路对应于上述实施例中的母线电流采样电路，其中，上述母线电流采样电路的可选项同样适用于本实施例，这里不再重复描述。
[0078]
在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和结构图显示了根据本技术的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，结构图和/或流程图中的每个方框、以及结构图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
[0079]
另外，在本技术各个实施例中的各功能模块或单元可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或更多个模块集成形成一个独立的部分。
[0080]
所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本技术的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是智能手机、个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本技术各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0081]
以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术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技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵
盖在本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种母线电流采样电路，其特征在于，应用于永磁同步电机的驱动电路，所述母线电流采样电路包括：运算放大器、平衡电路、偏置电路、放大调节电路和滤波积分电路；所述驱动电路的母线设置一串联的采样电阻，所述采样电阻靠近桥臂的一端连接所述平衡电路；所述运算放大器分别连接所述放大调节电路、所述滤波积分电路、所述平衡电路和所述偏置电路；所述平衡电路还连接所述偏置电路；所述放大调节电路还连接所述滤波积分电路；所述平衡电路用于采集所述驱动电路的相电流；所述偏置电路用于稳定所述运算放大器的输入电压；所述放大调节电路用于调节所述运算放大器的放大的倍数；所述滤波积分电路用于将所述运算放大器输出的电流进行滤波积分，输出母线电流。2.根据权利要求1所述的母线电流采样电路，其特征在于，所述放大调节电路包括阻抗匹配电阻和反馈电阻；所述阻抗匹配电阻的一端分别连接所述反馈电阻的一端和所述运算放大器的反相输入端，所述阻抗匹配电阻的另一端接地；所述反馈电阻的另一端分别连接所述运算放大器的输出端和所述滤波积分电路。3.根据权利要求2所述的母线电流采样电路，其特征在于，还包括第一电容，所述第一电容并联至所述反馈电阻的两端。4.根据权利要求2所述的母线电流采样电路，其特征在于，所述偏置电路包括第一偏置电阻和第二偏置电阻；所述第一偏置电阻的一端分别连接所述平衡电路、所述第二偏置电阻和所述运算放大器的正相输入端，所述第一偏置电阻的另一端接第二电平；所述第二偏置电阻的一端分别连接所述第一偏置电阻的一端、所述平衡电路和所述运算放大器的正相输入端，所述第二偏置电阻的另一端接地。5.根据权利要求4所述的母线电流采样电路，其特征在于，还包括第二电容，所述第二电容并联至所述第二偏置电阻的两端。6.根据权利要求4所述的母线电流采样电路，其特征在于，所述平衡电路包括平衡电阻，所述平衡电阻的一端用于采集相电流，所述平衡电阻的另一端分别连接所述运算放大器的正相输入端和所述偏置电路。7.根据权利要求6所述的母线电流采样电路，其特征在于，所述阻抗匹配电阻和所述平衡电阻的阻值相等；所述第一偏置电阻和第二偏置电阻的阻值相等；所述第一偏置电阻的阻值是所述反馈电阻的阻值的两倍。8.根据权利要求1所述的母线电流采样电路，其特征在于，所述滤波积分电路包括滤波电阻和滤波电容；所述滤波电阻的一端分别连接所述运算放大器的输出端和所述放大调节电路，所述滤波电阻的另一端连接所述滤波电容的一端，所述滤波电阻的另一端还用于输出所述母线电流，所述滤波电容的另一端接地。9.根据权利要求1～8任一项所述的母线电流采样电路，其特征在于，还包括第三电容，所述第三电容的一端分别连接所述运算放大器的输出端和所述放大调节电路，所述第三电
容的另一端接地。10.一种永磁同步电机，其特征在于，包括权利要求1～9任一项所述的母线电流采样电路。

技术总结
本申请涉及电机电路领域，尤其涉及一种母线电流采样电路和永磁同步电机，该电路应用于永磁同步电机的驱动电路，母线电流采样电路包括：运算放大器、平衡电路、偏置电路、放大调节电路和滤波积分电路；驱动电路的母线设置一串联的采样电阻，采样电阻靠近桥臂的一端连接平衡电路；运算放大器分别连接放大调节电路、滤波积分电路、平衡电路和偏置电路；平衡电路还连接偏置电路；放大调节电路还连接滤波积分电路；平衡电路用于采集驱动电路的相电流；放大调节电路用于调节运算放大器的放大的倍数；滤波积分电路用于将运算放大器输出的电流进行滤波积分，输出母线电流。本申请在保证母线电流准确度的前提下，减小电路体积。减小电路体积。减小电路体积。


技术研发人员：陈毅东 陈晓东 栗俊杰 杨日阳 赵洵 付晓燕
受保护的技术使用者：深圳市兆威机电股份有限公司
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/7/20