脈寬調(diào)制輸出電壓測(cè)量裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開(kāi)涉及脈寬調(diào)制輸出電壓測(cè)量裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和其他開(kāi)關(guān)電源用于提供多相AC輸出電力，以驅(qū)動(dòng)負(fù)載，例如，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。大多數(shù)傳統(tǒng)AC驅(qū)動(dòng)器包括開(kāi)關(guān)逆變器輸出級(jí)，其利用分別連接在DC總線的相應(yīng)端子與輸出端子中的一個(gè)之間的開(kāi)關(guān)陣列來(lái)轉(zhuǎn)換來(lái)自DC總線的電力，以提供AC輸出電壓，從而驅(qū)動(dòng)負(fù)載。為了在各個(gè)負(fù)載端子處產(chǎn)生可變頻率、可變幅度的輸出電壓信號(hào)，采用脈寬調(diào)制型開(kāi)關(guān)控制，以選擇性激勵(lì)逆變器開(kāi)關(guān)。通常根據(jù)一個(gè)或更多個(gè)設(shè)定點(diǎn)信號(hào)或值并且還根據(jù)來(lái)自逆變器輸出的反饋，以閉環(huán)方式控制開(kāi)關(guān)操作。在通常情況下，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收速度和位置設(shè)定點(diǎn)，并且還可以接收轉(zhuǎn)矩設(shè)定點(diǎn)以及反饋信號(hào)，該反饋信號(hào)表示逆變器的測(cè)量輸出電壓和驅(qū)動(dòng)器的其他操作條件。一個(gè)或更多個(gè)內(nèi)部控制回路用于基于所接收的設(shè)定點(diǎn)和反饋值來(lái)調(diào)整輸出負(fù)載電機(jī)速度、轉(zhuǎn)矩、電壓和/或電流。
[0003]然而，由于輸出逆變器的脈沖寬度調(diào)制操作，所以難以準(zhǔn)確評(píng)估在逆變器輸出端的電壓波形。具體地，逆變器開(kāi)關(guān)在相對(duì)較高脈沖寬度調(diào)制頻率下(例如，幾千赫茲)操作，使得輸出電壓波形包括高頻成分。另外，開(kāi)關(guān)式電源處于嘈雜的電氣環(huán)境，因此電壓輸出波形不是純粹的正弦曲線。此外，在許多應(yīng)用中，所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載的額定輸出相對(duì)較高，從而DC總線電壓和AC輸出電壓是相對(duì)較高的值。因此，在這些情況下，難以獲得準(zhǔn)確的反饋，原因是所感測(cè)的信號(hào)有時(shí)具有很高的電壓幅值，并且在逆變器內(nèi)對(duì)大電流的切換造成了難以準(zhǔn)確地感知輸出電壓信號(hào)的嘈雜環(huán)境。然而，同時(shí)，出于反饋目的，需要能夠準(zhǔn)確地再現(xiàn)PWM電壓輸出波形的高帶寬感測(cè)電路，而高帶寬感測(cè)電路更易受噪聲影響。此外，在非常低的調(diào)制指數(shù)操作水平下，電壓波形脈沖寬度非常窄，并且反射波影響以及空載時(shí)間補(bǔ)償影響變得更加顯著，導(dǎo)致更加難以確定反饋信號(hào)。因此，仍然需要用于感測(cè)輸出電壓以控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的開(kāi)關(guān)逆變器和其他電力轉(zhuǎn)換應(yīng)用的改進(jìn)的方法和裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]現(xiàn)在概述本公開(kāi)的一個(gè)或更多個(gè)方面，以助于基本理解本公開(kāi)，其中，此概述不是對(duì)本公開(kāi)的廣泛概覽，其目的不是確定本公開(kāi)的特定特征，也不是劃定其范圍。替代地，該概覽的主要目的是在下文中給出更詳細(xì)的描述之前以簡(jiǎn)化形式給出本公開(kāi)的各個(gè)方面。
[0005]本公開(kāi)提供了包括低調(diào)制指數(shù)操作點(diǎn)的用于測(cè)量逆變器輸出電壓的裝置和技術(shù)，通過(guò)該裝置和技術(shù)，能夠緩解或克服上面的一些缺點(diǎn)并且能夠降低反饋系統(tǒng)部件成本，卻不會(huì)犧牲對(duì)提供至負(fù)載的AC電壓的準(zhǔn)確控制的能力。發(fā)明人已認(rèn)識(shí)到，代替試圖準(zhǔn)確再現(xiàn)在開(kāi)關(guān)逆變器的輸出端提供的、包括所有非理想因素和高頻成分的PWM電壓波形，使用低帶寬感測(cè)電路來(lái)測(cè)量或估計(jì)在對(duì)逆變器開(kāi)關(guān)操作的反饋控制中使用的輸出的伏秒或PWM周期平均電壓，有助于改善控制和噪聲抗擾性。因此，能夠使用降低的采樣頻率，并且能夠在使用更低成本的低帶寬模擬運(yùn)算放大器和電路部件的同時(shí)對(duì)模擬輸入信號(hào)進(jìn)行低通濾波。此外，由于能夠使用高阻抗分壓電路來(lái)按比例確定反饋信號(hào)，所以轉(zhuǎn)換速率要求變得不嚴(yán)格，因此便于成本降低。
[0006]根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)或更多個(gè)方面，提供了一種反饋系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括:低通濾波器電路，該低通濾波器電路所具有的截止頻率低于準(zhǔn)確量化被感測(cè)的PWM電壓信號(hào)的所有高頻成分所需的頻率；轉(zhuǎn)換器電路，其對(duì)來(lái)自低通濾波器的信號(hào)進(jìn)行采樣；以及處理器，其估計(jì)所關(guān)注的相電壓或線-線電壓的伏秒值。在某些實(shí)現(xiàn)中，例如，通過(guò)在相應(yīng)的PWM周期中將采樣值累加并且將累加總值除以采樣數(shù)量，來(lái)在PWM周期上對(duì)采樣值求平均，以計(jì)算估計(jì)伏秒值。此外，在某些實(shí)施例中，處理器避免累加落入O伏附近的容差范圍內(nèi)的采樣值，從而改善伏秒估計(jì)的準(zhǔn)確性。
[0007]此外，本公開(kāi)的其他方面提供了用于估計(jì)PWM逆變器輸出電壓的方法，其包括:使用截止頻率低于與輸出電壓波形的最大上升率或下降率對(duì)應(yīng)的輸出電壓波形頻率的低通濾波器對(duì)輸出電壓信號(hào)進(jìn)行低通濾波，以及使用模擬緩沖電路對(duì)低通濾波輸出電壓信號(hào)分別進(jìn)行緩沖。該方法還涉及對(duì)緩沖信號(hào)進(jìn)行采樣并且根據(jù)至少一些采樣值來(lái)確定所關(guān)注的相電壓或線-線電壓的估計(jì)伏秒值。
【附圖說(shuō)明】
[0008]下面的描述和附圖詳細(xì)地給出了本公開(kāi)的某些例示性實(shí)現(xiàn)，這些示例性實(shí)現(xiàn)表示可執(zhí)行本公開(kāi)的不同原理的幾個(gè)示例性方式。然而，所例示的的示例沒(méi)有窮舉本公開(kāi)的許多可能實(shí)施例。當(dāng)結(jié)合附圖來(lái)考慮時(shí)，將在下面的詳細(xì)描述中給出本公開(kāi)的其他目的、優(yōu)點(diǎn)和新特征，其中:
[0009]圖1是例示根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)或更多個(gè)方面的具有輸出電壓反饋系統(tǒng)的示例性電機(jī)驅(qū)動(dòng)電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的示意圖；
[0010]圖2是例示在根據(jù)本公開(kāi)的圖1的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中具有初始低通濾波器級(jí)和第二級(jí)以在模數(shù)轉(zhuǎn)換器之前產(chǎn)生緩沖線-線電壓信號(hào)的示例性輸出電壓反饋系統(tǒng)實(shí)施例的進(jìn)一步細(xì)節(jié)的示意圖；
[0011]圖3是例示另一電壓反饋系統(tǒng)實(shí)施例的示意圖，其中在圖1的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中對(duì)濾波后的線-中性點(diǎn)或線-地信號(hào)進(jìn)行采樣；
[0012]圖4是示出具有高頻成分和其他非理想因素的示例性感測(cè)PWM輸出電壓信號(hào)的曲線圖，圖中示出了最大上升率；
[0013]圖5是例示使用圖2和圖3中的低通濾波器所獲得的示例性濾波后輸出電壓信號(hào)的曲線圖；
[0014]圖6是例示當(dāng)輸出電壓信號(hào)在預(yù)定容差范圍之外時(shí)選擇性累加電壓采樣的濾波后輸出電壓信號(hào)的曲線圖；以及
[0015]圖7是例示根據(jù)本公開(kāi)的其他方面的用于估計(jì)PWM開(kāi)關(guān)逆變器的輸出電壓的示例性方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]現(xiàn)在參考附圖，下文中結(jié)合附圖來(lái)描述幾個(gè)實(shí)施例或?qū)崿F(xiàn)方式，其中，全文中相同的附圖標(biāo)記用于表示相同的元件，并且其中各種特征并不一定是按比例繪制。
[0017]圖1中例示了電機(jī)驅(qū)動(dòng)器110，其經(jīng)由連接至LCL輸入濾波器120的輸入端子104從電源102接收三相輸入電力。驅(qū)動(dòng)器110包括有源前端(AFE，active front end)整流器130，該有源前端整流器130具有根據(jù)來(lái)自電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器160的整流器開(kāi)關(guān)控制部件162的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)162a進(jìn)行操作的開(kāi)關(guān)器件S1-S6，從而轉(zhuǎn)換來(lái)自相A、B和C的AC輸入電力，以提供在中間DC總線電路140的電容器Cdc兩端的DC總線電壓Vdc。提供DC總線電壓作為至電壓源型逆變器150 (VSE，voltage source inverter)的輸入，電壓源型逆變器150具有開(kāi)關(guān)器件S7-S12，開(kāi)關(guān)器件S7-S12根據(jù)來(lái)自控制器160的逆變器開(kāi)關(guān)部件166的逆變器開(kāi)關(guān)控制信號(hào)166a進(jìn)行操作，從而在相線U、V和W處產(chǎn)生可變頻率、可變幅度AC輸出信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)載106。
[0018]該驅(qū)動(dòng)器還包括輸出電壓反饋系統(tǒng)170，該輸出電壓反饋系統(tǒng)170向控制器160的一個(gè)或更多個(gè)處理器提供用于控制輸出逆變器150的操作的反饋信號(hào)或值。控制器160使用模擬電路以及一個(gè)或更多個(gè)處理器和設(shè)置有編程指令的相關(guān)聯(lián)的存儲(chǔ)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，以根據(jù)已知的脈寬調(diào)制開(kāi)關(guān)控制原理來(lái)實(shí)現(xiàn)整流器和逆變器開(kāi)關(guān)控制功能。另外，控制器160的輸出電壓反饋系統(tǒng)170接收來(lái)自逆變器150的輸出端子173u、173v以及173w的模擬輸出電壓反饋信號(hào)Vu、Vv以及Vw以及來(lái)自電機(jī)驅(qū)動(dòng)器110中的傳感器的各種其他電壓和/或電流反饋信號(hào)或值(未示出)。控制器160使用該反饋信號(hào)或值，該反饋信號(hào)或值包括表示在操作有源前端整流器130和/或逆變器150的過(guò)程中為了根據(jù)期望的速度、轉(zhuǎn)矩和/或其他設(shè)定點(diǎn)值來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)載106和/或在再生條件器件期間對(duì)驅(qū)動(dòng)器110進(jìn)行操作而用于各種電機(jī)控制功能的輸出電壓的那些反饋信號(hào)或值。
[0019]圖2例示了輸出電壓反饋系統(tǒng)170的一個(gè)實(shí)施例，其包括具有由一系列電阻器和電容器形成的各個(gè)低通濾波器電路的三相第一級(jí)171，其中，在此實(shí)施例中的電阻器還提供了分壓電路。例如，關(guān)于第一相“U”，由電阻器R1、R2、R3以及RlO形成電阻分壓器，其中連接電阻器R3和RlO的節(jié)點(diǎn)向第一電壓跟隨器運(yùn)算放大器電路174u提供同相輸入，第一電壓跟隨器運(yùn)算放大器電路174u對(duì)相應(yīng)的線電壓信號(hào)進(jìn)行緩沖并且從第一級(jí)171提供相應(yīng)緩沖輸出175u。類似地，如圖2所示，相電壓Vv的輸出電壓信號(hào)173v通過(guò)包括電阻器R4、R5、R6和Rll的電阻分壓電路來(lái)提供，以向相關(guān)聯(lián)的電壓跟隨器運(yùn)算放大器電路174v提供同相輸入，并且相電壓Vw的輸出電壓信號(hào)173w通過(guò)由電阻器R7、R8、R9和R12形成的分壓電路來(lái)提供，以向電壓跟隨器運(yùn)算放大器電路174w提供同相輸入。輸入信號(hào)173可以是任何合適的逆變器輸出電壓測(cè)量值，包括但不限于線-中性點(diǎn)電壓、線-地電壓等。第一級(jí)電路171經(jīng)由分壓電阻器和針對(duì)每個(gè)逆變器輸出相的輸入電容來(lái)提供模擬RC低通濾波器，其中單獨(dú)通過(guò)相關(guān)聯(lián)的放大器174u、174v或174w的寄生輸入電容CI1-CI3或者結(jié)合相關(guān)聯(lián)的放大器174u、174v或174w的寄生輸入電容CI1-CI3和可選外部電容C1-C3來(lái)提供低通濾波電容。
[0020]還參考圖4，此外，各個(gè)低通