用于直流变频驱动器的过电流保护方法和过电流保护电路

摘要

本发明提供一种用于直流变频驱动器的过电流保护方法和过电流保护电路，所述过电流保护电路包括：采样单元，用于对功率模块的输出电流进行采样形成采样信号；信号处理单元，用于对采样信号进行不同放大倍数的放大和低通滤波以生成第一过电流信号和第二过电流信号；信号生成单元，用于基于第一过电流信号生成第一中断触发信号；比较单元，用于将第二过电流信号与电机的过电流阈值对应的参考电压进行比较，比较结果作为第二中断触发信号；以及控制单元，用于基于第一中断触发信号控制功率模块，并基于第二中断触发信号控制电机。本发明所提供的过电流保护方法和过电流保护电路可以同时满足驱动器功率模块过电流保护和电机过电流保护。

说明书

技术领域

本发明涉及过电流保护技术领域，具体而言涉及一种用于直流变 频驱动器的过电流保护方法和过电流保护电路。

背景技术

传统的过电流保护方法仅能通过外部电阻分压设置一个固定的 过电流保护阀值，该保护阀值通常无法同时兼顾驱动器功率模块电流 保护值和电机电流保护值。例如，当驱动器设定的过电流保护阀值为 驱动器功率模块电流保护值，且功率模块电流保护值大于电机电流保 护值时，电机过电流保护只有纯软件保护；当驱动器设定的过电流保 护阀值为电机电流保护值，且功率模块电流保护值大于电机电流保护 值时，该电机过电流保护值不能通过软件动态改变，此外更换其他同 等功率其他电机时，会由于电机电流保护值的差异，需要调整驱动器 硬件电路来改变过电流保护阀值。

发明内容

针对现有技术的不足，一方面，本发明提供一种用于直流变频驱 动器的过电流保护方法。所述过电流保护方法包括：对功率模块的输 出电流进行采样形成采样信号；对所述采样信号进行不同放大倍数的 放大和低通滤波以生成第一过电流信号和第二过电流信号，其中生成 所述第一过电流信号所基于的放大倍数与所述功率模块的过电流阀 值相关，生成所述第二过电流信号所基于的放大倍数与电机的过电流 阈值相关；基于所述第一过电流信号生成第一中断触发信号；将所述 第二过电流信号与所述电机的过电流阈值对应的参考电压进行比较， 比较结果作为第二中断触发信号；基于所述第一中断触发信号控制所 述功率模块；以及基于所述第二中断触发信号控制所述电机。

在本发明的一个实施例中，所述电机的过电流阈值动态可调。

另一方面，本发明还提供一种用于直流变频驱动器的过电流保护 电路。所述过电流保护电路包括：采样单元，用于对功率模块的输出 电流进行采样形成采样信号；信号处理单元，用于对所述采样信号进 行不同放大倍数的放大和低通滤波以生成第一过电流信号和第二过 电流信号，其中生成所述第一过电流信号所基于的放大倍数与所述功 率模块的过电流阀值相关，生成所述第二过电流信号所基于的放大倍 数与电机的过电流阈值相关；信号生成单元，用于基于所述第一过电 流信号生成第一中断触发信号；比较单元，用于将所述第二过电流信 号与所述电机的过电流阈值对应的参考电压进行比较，比较结果作为 第二中断触发信号；以及控制单元，用于基于所述第一中断触发信号 控制所述功率模块，并基于所述第二中断触发信号控制所述电机。

在本发明的一个实施例中，所述电机的过电流阈值为所述控制单 元基于所述电机的规格和运行状态计算后通过数模转换而得出。

在本发明的一个实施例中，所述数模转换所使用的数模转换器包 括在所述控制单元内部。

在本发明的一个实施例中，所述比较单元包括在所述控制单元内 部。

在本发明的一个实施例中，所述电机的过电流阈值通过所述控制 单元的脉宽调制输出口产生的占空比并外加阻容低通滤波器电路来 实现动态可调。

在本发明的一个实施例中，所述采样单元包括采样电阻。

在本发明的一个实施例中，所述信号处理单元包括运算放大器和 低通滤波器，并且所述运算放大器为同相放大器。

在本发明的一个实施例中，所述信号生成单元为所述功率模块。

本发明所提供的过电流保护方法和过电流保护电路可以同时满 足驱动器功率模块过电流保护和电机过电流保护。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附 图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。

附图中：

图1示出了根据本发明一个实施例的用于直流变频驱动器的过 电流保护电路；以及

图2示出了根据本发明另一个实施例的用于直流变频驱动器的 过电流保护电路。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为 彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明 可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避 免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局 限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完 全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发 明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该” 也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术 语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、 整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其 它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。 在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详 细的结构，以便阐释本发明提出的技术方案。本发明的较佳实施例详 细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施 方式。

一般地，对于一定功率等级的直流变频驱动器，硬件功率模块过 电流保护阀值是固定的。该阀值通常比电机过电流保护阀值大，用来 保护驱动器硬件自身。而相同功率等级不同生产厂家的电机的过电流 保护阀值可能差异较大。因此，很难同时兼顾驱动器功率模块过电流 保护和电机过电流保护。

本发明提供一种用于直流变频驱动器的过电流保护方法。所述过 电流保护方法包括：对功率模块的输出电流进行采样形成采样信号； 对采样信号进行不同放大倍数的放大和低通滤波以生成第一过电流 信号和第二过电流信号，其中生成所述第一过电流信号所基于的放大 倍数与所述功率模块的过电流阀值相关，生成所述第二过电流信号所 基于的放大倍数与电机的过电流阈值相关；基于第一过电流信号生成 第一中断触发信号；将第二过电流信号与电机的过电流阈值对应的参 考电压进行比较，比较结果作为第二中断触发信号；基于第一中断触 发信号控制功率模块；以及基于第二中断触发信号控制电机。

优选地，所述电机的过电流阈值可基于电机的规格和/或运行状 态动态可调。

通过本发明所提供的上述过电流保护方法，可以实现驱动器过电 流阈值的动态调整，同时满足驱动器功率模块过电流保护和电机过电 流保护。

为了实施上述方法，本发明还提供一种用于直流变频驱动器的过 电流保护电路。图1示出了根据本发明一个实施例的用于直流变频驱 动器的过电流保护电路100。如图1所示，过电流保护电路100包括 采样单元101、信号处理单元102、信号生成单元103、比较单元104 以及控制单元105。其中，采样单元101用于对功率模块的输出电流 进行采样形成采样信号；信号处理单元102用于对采样信号进行不同 放大倍数的放大和低通滤波以生成第一过电流信号和第二过电流信 号，其中生成第一过电流信号所基于的放大倍数与功率模块的过电流 阀值相关，生成第二过电流信号所基于的放大倍数与电机的过电流阈 值相关；信号生成单元103用于基于第一过电流信号生成第一中断触 发信号；比较单元104用于将第二过电流信号与电机的过电流阈值对 应的参考电压进行比较，比较结果作为第二中断触发信号；控制单元 105用于基于第一中断触发信号控制功率模块，并基于第二中断触发 信号控制电机。

具体地，采样单元101可以包括采样电阻Rs，其一端连接功率 模块的三相下桥输出端，另一端接地。在图1中，将功率模块示出为 智能功率模块(IntelligentPowerModule，IPM)。IPM是一种先进的 功率开关器件，具有大功率晶体管高电流密度、低饱和电压和耐高压 的优点，以及场效应晶体管高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的 优点。而且IPM内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路，使用起 来方便，不仅减小了系统的体积以及开发时间，也大大增强了系统的 可靠性。

根据本发明的一个实施例，信号处理单元102可以包括运算放大 器OP和低通滤波器，并且运算放大器OP为同相负反馈放大器。运 算放大器OP可以包括第一运算放大器和第二运算放大器。其中，第 一运算放大器的放大倍数取决于功率模块的过电流阀值对应功率模 块故障触发电压的关系与采样单元101输出电压的倍数；第二运算放 大器的放大倍数取决于电机过电流阀值对应电压与采样单元101输 出电压的倍数。通过采样单元101所采样的信号可以分别通过第一运 算放大器和第二运算放大器并且都经过低通滤波器以分别形成第一 过电流信号(在图1中示出为OC)和第二过电流信号。第一过电流 信号可以用于直流变频驱动器功率器件的过电流保护，第二过电流信 号可以用于电机过电流保护。

根据本发明的一个实施例，信号生成单元103可以为功率模块 IPM本身。功率模块可以基于第一过电流信号输出故障信号作为第一 中断触发信号(在图1中示出为TZ0)。优选地，功率模块可以综合 模块内部其他类型的保护输出故障信号。其他类型的保护诸如欠压保 护、过热保护和短路保护等。

根据本发明的一个实施例，比较单元104可以包括在控制单元 105内部。控制单元105可以是处理器(图1中示出为微控制器， MCU)，比较单元104例如可以是包括在处理器内部的比较器。这样， 可以无需添加外部比较器，降低硬件成本，增加过电流保护设计的灵 活性。

根据本发明的一个实施例，电机的过电流阈值为控制单元105基 于电机的规格和运行状态计算后通过数模转换而得出。电机的过电流 阈值可以是固定的，也可以是动态可调的。控制单元105可以基于电 机的规格和运行状态来计算电机的过电流阈值，然后通过数模转换产 生模拟的电机过电流阈值，并作为比较单元104的负端输入信号，与 正端输入信号第二过电流信号进行比较，比较结果作为第二中断触发 信号(在图1中示出为TZ1)。控制单元105可以分别基于第一中断 触发信号TZ0和第二中断触发信号TZ1对功率模块和电机进行中断 保护。

优选地，上述数模转换所使用的数模转换器可以包括在控制单元 105内部。使用控制单元105内部的数模转换器可以降低硬件成本。

具体地，如图1所示的用于直流变频驱动器的过电流保护电路 100的工作原理为：

直流变频驱动器可以通过采样单元101的采样电阻Rs采样功率 模块IPM的三相下桥输出电流(其输出电压与电流幅值呈线性关系)， 经过第一运算放大器OP将采样信号进行放大，其中可以按照功率模 块的过电流阀值对应功率模块IPM故障触发电压的关系来设计放大 系数。然后通过低通滤波器来滤除干扰信号以生成第一过电流信号 OC输入到功率模块IPM。功率模块IPM可以综合模块内部其他类型 保护(如欠压保护等)输出故障信号TZ0，该故障信号作为控制单元 105MCU的第一中断触发信号TZ0。当外部出现过电流状态时，该 信号会产生下降沿，从而触发控制单元105的处理器软件保护中断， 实现功率模块IPM的过电流保护。

同时，经过第二运算放大器OP将电流采样对应的电压信号经过 信号调理和放大和低通滤波后形成第二过电流信号，并作为控制单元 105的模数转换(ADC)的输入信号，并且将此通道的模拟量输入信 号作为处理器内部比较器(图1中示出为Comp1)的正端输入信号。 该比较器相应的负端输入信号可以由处理器内部数模转换(DAC)输 出产生。直流变频驱动器软件根据电机的规格差异及不同的运行状 态，计算出相应的电机过电流保护阀值(可以是固定值也可以是变化 值)作为上述数模转换的输入，实现电机的过电流保护。

图2示出了根据本发明另一个实施例的用于直流变频驱动器的 过电流保护电路200。如图2所示，过电流保护电路200和过电流保 护电路100结构相似，不同之处在于比较单元204不包括在控制单元 205内部，并且过电流保护电路200还包括阻容低通滤波单元206。 因此为了描述简明，此处省略和过电流保护电路100相同的结构的描 述。

在如图2所示的过电流保护电路200中，比较单元204使用外部 比较器芯片来实现，可以用来应对实现控制单元205的处理器不具备 比较器和数模转换功能的应用。同时，电机的过电流阈值通过控制单 元205的脉宽调制(PWM)输出口产生的占空比并外加阻容低通滤 波单元206来实现动态可调。

具体地，可以由实现控制单元205的处理器的脉宽调制输出端口 产生的占空比并外加阻容低通滤波单元206生成一个与电机过电流 阀值对应的一个参考电压值(PWM信号频率一定，改变其占空比， 可以得到线性的直流输出电压)，此参考电压作为比较单元204的参 考电压。

由于PWM信号占空比的改变可以由处理器软件实现，不需要更 改硬件，因此比较单元204的参考电压动态可调。对于不同电机，如 果过电流阀值不同，仅需改变PWM占空比的大小。此外，相同电机 在不同运行条件或状态下，也可以通过改变PWM占空比的大小实现 保护阀值的动态调节，从而可以更有效地保护电机。

通过本发明所提供的上述过电流保护电路，可以实现驱动器过电 流阈值的动态调整，同时满足驱动器功率模块过电流保护和电机过电 流保护。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述 实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述 的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局 限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修 改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的 保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。