一种用于高性能矢量变频器的输出电压和频率检测电路

摘要

本发明适用于高性能矢量变频器检测领域，提供了一种用于高性能矢量变频器的输出电压和频率检测电路，差分放大电路模块包括第一运算放大器，第一运算放大器的两个输入端分别连接变频器的三相输出电压中的两相，输出端连接带加法功能的比例放大电路模块；带加法功能的比例放大电路模块包括第二运算放大器，第二运算放大器的反相输入端连接差分放大电路模块的输出端，输出端连接放大器电路模块和比较器模块；反向放大电路模块包括第三运算放大器，第三运算放大器的输出端输出变频器的输出电压；比较器模块包括比较器，比较器的输出端输出变频器的输出频率信号。对停机指令后电机旋转方向和旋转速度进行判断，并且体积小，降低了应用成本。

说明书

技术领域

本发明属于高性能矢量变频器检测领域，尤其涉及一种用于高性能矢量变频器的输出电 压和频率检测电路。

背景技术

在积极推进节能减排、加强低碳化工业生产的大环境下，变频器特别是高性能矢量变频 器的开发和应用成为必然。

矢量控制的变频器常常需要停机再启动，变频器残压检测功能的好坏决定了此时动态过 渡过程的稳定性以及快速性；因此变频器输出线电压检测电路和输出频率检测电路，在高性 能矢量变频器开发中非常关键。

现有技术中高性能矢量变频器的输出电压检测技术方案中，大部分厂家的思路基本上大 同小异，如图1所示为现有技术中高性能矢量变频器的输出电压检测电路原理图，由图1可 知，变频器输出电压U、V和W三相，图1中输入的U和W两相，现有技术中高性能矢量 变频器的输出电压检测方案中，在同相和反相两个输入端同时加入2.5V电位抬升电路，直接 大电阻引入后采样得到输出电压，甚至很多变频器并没有输出电压检测这一电路环节，在残 压检测电路方面国内外顶尖产品的设计上也是采用检测脉冲电路，没有考虑优化电路，将残 压检测电路优化的同时融入输出电压检测电路。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种用于高性能矢量变频器的输出电压和频率检测电路， 所要解决的技术问题是：通过优化，设计成一种电路既满足残压检测，又可以实现输出电压 和频率检测的多项检测电路，并针对细节进行高可靠性改进设计，以满足普通高性能矢量控 制变频器的残压检测的需求。

本发明实施例是这样实现的，一种用于高性能矢量变频器的输出电压和频率检测电路， 所述检测电路包括：差分放大电路模块、带加法功能的比例放大电路模块、反向放大电路模 块和比较器模块；

所述差分放大电路模块包括第一运算放大器及其外围电路，所述第一运算放大器的两个 输入端分别连接变频器的三相输出电压中的两相，输出端连接所述带加法功能的比例放大电 路模块；

所述带加法功能的比例放大电路模块包括第二运算放大器及其外围电路，所述第二运算 放大器的反相输入端连接所述差分放大电路模块的输出端，正相输入端连接+2.5V电压，输 出端连接所述放大器电路模块和所述比较器模块；

所述反向放大电路模块包括第三运算放大器及其外围电路，所述第三运算放大器的反相 输入端连接所述带加法功能的比例放大电路模块的输出端，正相输入端接地，输出端输出所 述变频器的输出电压；

所述比较器模块包括比较器及其外围电路，所述比较器的正相输入端连接所述带加法功 能的比例放大电路模块的输出端，反相输入端通过电阻后连接+2.5V电压，输出端输出所述 变频器的输出频率信号。

本发明提供的一种用于高性能矢量变频器的输出电压和频率检测电路的第一优选实施例 中：所述第一运算放大器U6A的外围电路包括：

输入电阻R41、电阻R43和R49、钳位保护二极管D7和D9、去差模干扰电容C25、反 馈电阻R53、电源滤波去耦电容C23和C28以及输出限流保护电阻R46；

所述输入电阻R41一端连接+2.5V电压，另一端连接所述第一运算放大器U6A的正相输 入端；

所述电阻R43和R49为兆欧级电阻，所述电阻R43一端连接所述变频器的输出电压的W 相，另一端连接所述第一运算放大器U6A的正相输入端；所述电阻R49一端连接所述变频器 的输出电压的U相，另一端连接所述第一运算放大器U6A的反相输入端；

所述钳位保护二极管D7和D9分别连接所述第一运算放大器U6A的正相输入端和反相 输入端；

所述去差模干扰电容C25两端分别连接所述第一运算放大器U6A的正相输入端和反相输 入端；

所述反馈电阻R53两端分别连接所述第一运算放大器U6A的反相输入端和输出端；

所述电源滤波去耦电容C23一端接地，另一端连接所述第一运算放大器U6A的正电源端， 所述电源滤波去耦电容C23与所述第一运算放大器U6A的正电源端的连接点还连接有+15V 电压；所述电源滤波去耦电容C28一端接地，另一端连接所述第一运算放大器U6A的负电源 端，所述电源滤波去耦电容C28与所述第一运算放大器U6A的负电源端的连接点还连接有 -15V电压；

所述输出限流保护电阻R46连接于所述第一运算放大器U6A的输出端和所述反馈电阻 R53之间。

本发明提供的一种用于高性能矢量变频器的输出电压和频率检测电路的第二优选实施例 中：所述第一运算放大器U6A的外围电路包括：

输入匹配电阻R40、电阻R42和R47、反馈电阻R51、去差模干扰电容C24以及输出钳 位保护二极管D8；

所述输入匹配电阻R47一端连接所述差分放大电路模块，另一端连接所述第二运算放大 器U6B的反相输入端；所述电阻R40和所述电阻R42并联后一端连接+2.5V电压，另一端连 接所述第二运算放大器U6B的正相输入端；

所述反馈电阻R51两端分别连接所述第二运算放大器U6B的反相输入端和输出端；

所述去差模干扰电容C24两端分别连接所述第二运算放大器U6B的正相输入端和反相输 入端；

所述输出钳位保护二极管D8连接所述第二运算放大器U6B的输出端。

本发明提供的一种用于高性能矢量变频器的输出电压和频率检测电路的第三优选实施例 中：所述第三运算放大器U8A的外围电路包括：输入匹配电阻R54和电阻R56、反馈电阻 R57、滤波电容C33、电源去耦滤波电容C30和C32以及输出低通滤波电阻R55和电容C31；

所述输入匹配电阻R54一端接地，另一端连接所述第三运算放大器U8A的的正相输入端； 所述输入匹配电阻R56一端连接所述带加法功能的比例放大电路模块，另一端连接所述第三 运算放大器U8A的反相输入端；

所述反馈电阻R57和所述滤波电容C33并联后两端分别连接所述第三运算放大器U8A 的反相输入端和输出端；

所述电源去耦滤波电容C30一端接地，另一端连接所述第三运算放大器U8A的正电源端， 所述电源去耦滤波电容C30与所述第一运算放大器U8A的正电源端的连接点还连接有+15V 电压；所述电源去耦滤波电容C32一端接地，另一端连接所述第一运算放大器U8A的负电源 端，所述电源去耦滤波电容C32与所述第一运算放大器U8A的负电源端的连接点还连接有 -15V电压；

所述输出低通滤波电阻R55一端连接所述第三运算放大器U8A的输出端，另一端连接所 述电容C31的一端，所述电容C31的另一端接地，所述输出低通滤波电阻R55与所述电容 C31的连接点输出，得到所述变频器的输出线电压值。

本发明提供的一种用于高性能矢量变频器的输出电压和频率检测电路的第四优选实施例 中：所述比较器U7的外围电路包括：输入电阻R45、阻抗匹配电阻R50和R52、滤波电容 C29、电容C26、可靠比较用输入输出跨接的大容量电阻R39，输出滤波电阻R48和电容C27 以及上拉电阻R44；

所述输入电阻R45一端连接所述带加法功能的比例放大电路模块，另一端连接所述比较 器U7的正相输入端；

所述阻抗匹配电阻R50一端连接+2.5V电压，另一端连接所述比较器U7的反相输入端；

所述电阻R52与所述滤波电容C29并联后一端接地，另一端通过所述电容C26连接所述 比较器U7的正相输入端；

所述可靠比较用输入输出跨接的大容量电阻R39两端分别连接所述比较器U7的正相输 入端和输出端；

所述上拉电阻R44一端连接+5V电压，另一端连接所述比较器U7的输出端；

所述输出滤波电阻R48一端连接所述比较器U7的输出端，另一端连接所述电容C27的 一端，所述电容C27的另一端接地，所述输出滤波电阻R48与所述电容C27的连接点输出， 得到所述变频器的输出频率。

本发明提供的一种用于高性能矢量变频器的输出电压和频率检测电路的第五优选实施例 中：所述比较器U7的输入上限阀值为

输入下限阀值为$V_{T-}=(1+\frac{R_{\mathrm{in}1}}{R_{f1}})\times V_{\mathrm{ref}}-\frac{R_{\mathrm{in}1}}{R_{f1}}\times (-V_Z);$

其中，R_in1为所述比较器的输入电阻，R_f1为所述比较器的反馈电阻，V_ref为参考电源， +Vz为输出所述比较器的供电正向电压，-Vz为输出所述比较器的供电负压。

本发明实施例提供的一种用于高性能矢量变频器的输出电压和频率检测电路的有益效果 包括：

本发明实施例提供的一种用于高性能矢量变频器的输出电压和频率检测电路，依靠差分 电路检测输出电压，即检测变频器两相输出的线电压，然后通过隔离放大等信号处理前端电 路得到符合DSP控制接口电路电压范围的输出检测信号，同时该类信号也作为下一级迟滞比 较器的输入，最后由迟滞比较器电路得到的脉冲信号可以检测变频器输出电压的频率信号以 及此时电机选择速度与旋转方向；

可用于实现残压检测功能，根据检测到的电动机在自由旋转时产生的残压频率，将变频 器的输出电压，恒频升压到其残压频率对应的额定V/f曲线电压值，然后再按正常起动程序 加速至系统设定的新频率。在矢量控制的变频器常常需要停机再启动时；因为停机后由于剩 磁存在，在电机(通常指异步电动机)会由于闭合的转子电路在旋转切割情况下产生旋转气 隙磁场，从而在定子侧产生类似发电机工作原理的感应电压(频率与转子旋转速度成正比， 相当于同步速度)，因此通过检测定子侧感应电压的相位和周期即可得到此时转子的选择速 度和旋转方向，从而使加、减速可以在这个已知转子选择工况的背景下快速和高效进行，而 不必从零开始，引起冲击和波动。停机再起动时间短，起动过程平稳，不会对负载产生过冲 击，不会产生过流，特别适合性能矢量控制变频调速系统。

本发明实施例提供的一种用于高性能矢量变频器的输出电压和频率检测电路，还通过电 路的参数精细化设计细节和保护抗干扰优化设计，保证检测精准、可靠。

本发明一种电路实现多种检测功能，因此相比多种检测电路和功能单元会降低成本和故 障率。

可以对停机指令后电机旋转方向和旋转速度进行判断；进而应用于无速度矢量控制，还 可以应用于需要输出电压检测的如电压模型的矢量控制、基于神经网络估计器的矢量控制和 基于模糊控制理论的矢量控制等控制模式。并且具有体积小，降低了应用成本，同时提高了 产品的竞争力等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需 要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例， 对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得 其他的附图。

图1是现有技术中高性能矢量变频器的输出电压检测电路的原理图；

图2是本发明实施例提供的第一种用于高性能矢量变频器的输出电压和频率检测电路的 原理图；

图3是本发明实施例提供的第二种用于高性能矢量变频器的输出电压和频率检测电路的 原理图；

图4是本发明实施例提供的一种的比较器模块的简化原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发 明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发明，并不用 于限定本发明。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

如图2和图3所示为本发明提供的第一种和第二种用于高性能矢量变频器的输出电压和 频率检测电路的原理图，所述检测电路包括：差分放大电路模块、带加法功能的比例放大电 路模块、反向放大电路模块和比较器模块。

差分放大电路模块包括第一运算放大器及其外围电路，该第一运算放大器的两个输入端 分别连接变频器的三相输出电压中的两相，图2和图3分别给出的是第一运算放大器输入端 连接变频器的输出电压的W-U和W-V相的情况，输出端连接带加法功能的比例放大电路模 块。

带加法功能的比例放大电路模块包括第二运算放大器及其外围电路，该第二运算放大器 的反相输入端连接差分放大电路模块的输出端，正相输入端连接+2.5V电压，输出端连接放 大器电路模块和比较器模块。

反向放大电路模块包括第三运算放大器及其外围电路，该第三运算放大器的反相输入端 连接带加法功能的比例放大电路模块的输出端，正相输入端接地，输出端输出变频器的输出 电压。

比较器模块包括比较器及其外围电路，该比较器的正相输入端连接带加法功能的比例放 大电路模块的输出端，反相输入端通过电阻后连接+2.5V电压，输出端输出变频器的输出频 率信号。

本发明实施例提供的一种用于高性能矢量变频器的输出电压和频率检测电路，首先依靠 差分电路检测输出电压，即检测变频器两相输出的线电压，然后通过隔离放大等信号处理前 端电路得到符合DSP控制接口电路电压范围的输出检测信号，同时该类信号也作为下一级迟 滞比较器的输入，最后由迟滞比较器电路得到的脉冲信号可以检测变频器输出电压的频率信 号以及此时电机选择速度与旋转方向。

进一步的，以图2为例，差分放大电路模块以第一运算放大器U6A为核心，第一运算放 大器U6A的外围电路包括：

输入电阻R41、电阻R43和R49、钳位保护二极管D7和D9、去差模干扰电容C25、反 馈电阻R53、电源滤波去耦电容C23和C28以及输出限流保护电阻R46。

输入电阻R41一端连接+2.5V电压，另一端连接第一运算放大器U6A的正相输入端。起 到阻抗匹配和和电阻R53起到差分放大(这里放大系数<1)作用，R46电阻是起抑制运放输 出振荡作用，R41接入2.5V加法参考电源以抬高输入差分电路的输出信号，增强电路的抗共 模干扰能力同时加强对输入信号的灵敏度。

电阻R43和R49为兆欧级电阻，电阻R43一端连接变频器的输出电压的W相，另一端 连接第一运算放大器U6A的正相输入端，电阻R49一端连接变频器的输出电压的U相，另 一端连接第一运算放大器U6A的反相输入端。

具体的，电阻R43和R49可以取值6兆欧，跨接在强电和控制电路之间，且注意爬电距 离，以便根据DSP接口电压范围较为精确和安全地采样输入线电压信号。

钳位保护二极管D7和D9分别连接第一运算放大器U6A的正相输入端和反相输入端。 起到输入电压钳位保护作用，限制输入电位在运放供电电压范围内，避免运放因输入过电压 而饱和，进而保证了电路正常工作。

去差模干扰电容C25两端分别连接第一运算放大器U6A的正相输入端和反相输入端。起 到线间差模干扰滤波，稳定输入电压的效果。

反馈电阻R53两端分别连接第一运算放大器U6A的反相输入端和输出端。

电源滤波去耦电容C23一端接地，另一端连接第一运算放大器U6A的正电源端，电源滤 波去耦电容C23与第一运算放大器U6A的正电源端的连接点还连接有+15V电压；电源滤波 去耦电容C28一端接地，另一端连接第一运算放大器U6A的负电源端，电源滤波去耦电容 C28与第一运算放大器U6A的负电源端的连接点还连接有-15V电压。

输出限流保护电阻R46连接于第一运算放大器U6A的输出端和反馈电阻R53之间。

本发明实施例中的差分放大电路模块，可以根据其包含的第一运算放大器的反相端或者 同相端电压相对供电电源的电压范围这一比值进行优劣评定，精确推导过程中不会产生近似 值，可达到更为精确检测效果，不会因实际电阻误差而增加附加误差，相对现有技术在达到 相同效果的前提下更接近实际输入电压范围，同时节约了成本。差分放大电路模块对输入端 电压进行差分放大且带电位提升，得到的输出结果可以写成如下式式(1)：

$U_{a1}=2.5+\frac{R_f}{R_{\mathrm{in}}}·U_{w1u1}=2.5+\frac{U_{w1u1}}{60}$        式(1)

式(1)中，2.5为2.5V参考电源，起电位抬升作用；R_f1为反馈电阻(如图2所示R53， 实际可取100k欧姆)；R_in1与R_f1同量纲和单位(即如图2的R43或R49，实际取值6M欧 姆)，60为两个电阻实际取值比，U_w1u1为输入差分电压，U_a1即为差分放大电路模块输出电 压。

带加法功能的比例放大电路模块以第二运算放大器U6B为核心，第二运算放大器U6B 的外围电路包括：

输入匹配电阻R40、电阻R42和R47、反馈电阻R51、去差模干扰电容C24以及输出钳 位保护二极管D8。

输入匹配电阻R47一端连接差分放大电路模块，另一端连接第二运算放大器U6B的反相 输入端；电阻R40和电阻R42并联后一端连接+2.5V电压，另一端连接第二运算放大器U6B 的正相输入端。R40、R42和R47为输入电阻，而R40主要是为了阻抗匹配而选取的。

反馈电阻R51两端分别连接第二运算放大器U6B的反相输入端和输出端。与输入电阻结 合进行输入信号的放大。

去差模干扰电容C24两端分别连接第二运算放大器U6B的正相输入端和反相输入端。为 稳定输入信号，起线路滤波作用。

输出钳位保护二极管D8连接第二运算放大器U6B的输出端。进行输出电压的钳位保护。

变频器的输出电压经过差分放大电路模块和带加法功能的比例放大电路模块后，得到基 本输出电压Ub1。

差分放大电路模块输出U_a1作为带加法功能的比例放大电路模块的同相输入，经过负反馈 电路放大和反相后，得到第二级运放结果U_b1。带加法功能的比例放大电路模块由理想运放“虚 断”和“虚短”特性，可以推导该带加法功能的比例放大电路模块的输出结果如下式(2)所 示：

$U_{b1}==7.5-2U_{a1}=2.5-\frac{2R_f}{R_{\mathrm{in}}}·Y_{w1u1}=2.5-\frac{U_{w1u1}}{30}$      式(2)

其中，U_b1为第二级运放输出。其中输入电阻R40与反馈电阻R51均取20k欧姆，而输 入电阻R42与R47相同取值为10k欧姆，进行运算放大电路计算可以得到式(2)。

反向放大电路模块以第三运算放大器U8A为核心，第三运算放大器U8A的外围电路包 括：

输入匹配电阻R54和电阻R56、反馈电阻R57、滤波电容C33、电源去耦滤波电容C30 和C32以及输出低通滤波电阻R55和电容C31。

输入匹配电阻R54一端接地，另一端连接第三运算放大器U8A的的正相输入端；输入匹 配电阻R56一端连接带加法功能的比例放大电路模块，另一端连接第三运算放大器U8A的反 相输入端。

反馈电阻R57和滤波电容C33并联后两端分别连接第三运算放大器U8A的反相输入端 和输出端。

电源去耦滤波电容C30一端接地，另一端连接第三运算放大器U8A的正电源端，电源去 耦滤波电容C30与第一运算放大器U8A的正电源端的连接点还连接有+15V电压；电源去耦 滤波电容C32一端接地，另一端连接第一运算放大器U8A的负电源端，电源去耦滤波电容 C32与第一运算放大器U8A的负电源端的连接点还连接有-15V电压。

输出低通滤波电阻R55一端连接第三运算放大器U8A的输出端，另一端连接电容C31 的一端，电容C31的另一端接地，输出低通滤波电阻R55与电容C31的连接点输出，得到精 确可靠的变频器的输出线电压值。

反向放大电路模块在变频器正常运行时，方便直接检测变频器输出电压波形，对于需要 使用变频器实际输出电压和频率的控制模式(如电压模型的矢量控制、基于神经网络估计器 的矢量控制和基于模糊控制理论的矢量控制)而言，无需另外重新设计输出电压检测电路， 无论在设计成本上，还是在实现的功能上都得到优化，其中跨接第三级输出电压上的反馈电 阻和电容组成积分电路，起到低通滤波并得到正弦波的效果，反馈电阻和电容值可以根据实 际信号进行调整。因此，图2中同一前置处理电路，实现了两种功能。

比较器模块为频率检测电路，将得到电压Ub1作为频率检测电路的输入信号，以比较器 U7为核心，比较器U7的外围电路包括：

输入电阻R45、阻抗匹配电阻R50和R52、滤波电容C29、电容C26、可靠比较用输入 输出跨接的大容量电阻R39，输出滤波电阻R48和电容C27以及上拉电阻R44。

输入电阻R45一端连接带加法功能的比例放大电路模块，另一端连接比较器U7的正相 输入端。

阻抗匹配电阻R50一端连接+2.5V电压，另一端连接比较器U7的反相输入端。

电阻R52与滤波电容C29并联后一端接地，另一端通过电容C26连接比较器U7的正相 输入端。

可靠比较用输入输出跨接的大容量电阻R39两端分别连接比较器U7的正相输入端和输 出端。

上拉电阻R44一端连接+5V电压，另一端连接比较器U7的输出端。

输出滤波电阻R48一端连接比较器U7的输出端，另一端连接电容C27的一端，电容C27 的另一端接地，输出滤波电阻R48与电容C27的连接点输出，得到精确可靠的变频器的输出 频率OUT_FB。

通过将输入的电压Ub1与2.5V分压后的参考电位进行比较，从而得到周期脉冲信号， 即可作为变频器输出频率信号。

比较器模块为迟滞比较器电路，且为同相输入带正反馈型的比较器电路。基于整个变频 器是三相输出，实际应用系统中会有另外一路差分电路的输出经过反相输入带正反馈型比较 电路，从而可以依照两个比较器输出得到脉冲时序情况，由此判断电机的旋转方向，单路脉 冲只能判断转速。先分析图2中的同相输入带正反馈的比较电路，考虑临界状态时可以用理 想运放的“虚断”、“虚短”特性进行分析，进而可以得到迟滞比较器的两个阀值。

如图4所示为本发明实施例提供的一种的比较器模块的简化原理图，参考附图2电路， 经过分析计算得到图4(同相输入带正反馈型比较电路)的上限和下限阀值(其中R75和R77 为输入电阻R_in1，R71为反馈电阻R_f1)：

(1)图4的输入上限阀值：

$U_{T+}=V_{\mathrm{in}+}=(1+\frac{R_{\mathrm{in}1}}{R_{f1}})\times V_{\mathrm{ref}}+\frac{R_{\mathrm{in}1}}{R_{f1}}\times (+V_Z)=(1+\frac{2}{560})\times 2.5+\frac{2}{560}\times (+V_Z)=2.527$    式(3)

(2)图4的输入下限阀值：

$V_{T-}=(1+\frac{R_{\mathrm{in}1}}{R_{f1}}){\times V}_{\mathrm{ref}}-\frac{R_{\mathrm{in}1}}{R_{f1}}\times (-V_Z)=(1+\frac{2}{560})\times 2.5-\frac{2}{560}\times (-V_Z)=2.509$     式(4)

V_ref为参考电源，+Vz即代表输出比较器供电正向电压，-Vz代表输出比较器的供电负压。

特别地，图2和图3分别针对变频器输出三相电压中两路输出线电压检测检测，从而可 以得到实际变频器输出电压，这样实现了本发明提出的两个输出线电压检测电路和两路输出 频率检测，并依此检测信号得到变频器残压，从而可以对停机指令后电机旋转方向和旋转速 度进行判断；进而应用于无速度矢量控制，还可以应用于需要输出电压检测的如电压模型的 矢量控制、基于神经网络估计器的矢量控制和基于模糊控制理论的矢量控制等控制模式。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原 则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。