4~20mA电流模拟量输入RS485数据采集模块
M-IF16C用户手册V1.1
基于Modbus的16路电流型模拟量输入模块
1 产品简介
M-IF16C（基于Modbus的16路电流型模拟量输入模块）作为通用型模拟量量采集模块广泛应用于冶金、化工、机械、消防、建筑、电力、交通等工业行业中，可接入16路温度、湿度、液位、压力、流量、PH值等传感器输出的0～20mA 或4～20mA模拟量信号。支持标准的Modbus RTU 协议，并具有通讯超时检测功能，可同其它遵循Modbus RTU 协议的设备联合使用。
1.1 系统概述
M-IF16C模块的原理框图如图1.1所示，模块主要由电源电路、模拟量输入采样电路、隔离RS485收发电路及MCU等部分组成。采用高速ARM处理器作为控制单元，拥有隔离的RS485通讯接口，具有ESD、过压、过流保护功能，避免了工业现场信号对模块通讯接口的影响，使通讯稳定可靠。
图1.1 原理框图
1.2 主要技术指标
1）系统参数
供电电压：5～40VDC，电源反接保护
功率消耗：0.5W
工作温度：-10℃～60℃
存储温度：-40℃～85℃
相对湿度：5%～95%不结露
2）模拟量输入参数
输入路数：16路单端输入
正常输入范围：0～20mA，4～20mA
最大输入范围：0～21mA
隔离电压：2500VDC
输入电阻：120Ω
ADC分辨率：12位
采样精度：0.5%
采样速率：100次/s
3）通讯接口
通讯接口：RS485 接口，隔离1500VDC，±15kV ESD 保护、过流保护
隔离电压：1500V
通讯协议：Modbus RTU 协议
波特率：1.2k，2.4k，4.8k，9.6k，19.2k，38.4k，57.6k，115.2k
通讯数据格式：1个起始位，8个数据位，无、奇或偶校验，1个或2个停止位
1.3 外形及尺寸
外壳材料：ABS工程塑料
尺寸大小：145mm(长) * 90mm(宽) * 40mm(高)
安装方式：标准DIN35导轨安装和螺钉安装
模块外形如图1.2所示，安装尺寸如图1.3所示。
图1.2 外形图
图1.3 安装尺寸图
2 模块功能
2.1 模拟量输入
现场传感器输出的电流信号接入M-IF16C模块的输入端，经模块内部集成的精密电阻转换成电压信号，然后通过运算放大器、多路模拟开关和A/D电路进行采集处理，得到相应的数值，接线原理如图1.4所示。
图1.4 接线原理图
3 端子与拨码开关
3.1 端子描述
1）电源和通讯端子T1
T1 定义说明
1 V+
输入电源电压5～40VDC，如24VDC
2 GND
3 A RS485+
4 B RS485-
5 SG RS485信号地
2）模拟量输入端子T2
T2 定义说明
1 AI0
2 AI1
3 AI2
4 AI3
8路电流型模拟量输入
5 AI4
6 AI5
7 AI6
8 AI7
9 AGND
模拟量输入公共端，接电源负极
10 AGND
11 AI8
12 AI9
13 AI10
14 AI11
8路电流型模拟量输入
15 AI12
16 AI13
17 AI14
18 AI15
3.2 拨码开关S1
1）节点地址ADDR（出厂默认节点地址为1）
节点S6 S7 S8 S9 S10
0 OFF OFF OFF OFF OFF
1 OFF OFF OFF OFF ON
2 OFF OFF OFF ON OFF
3 OFF OFF OFF ON ON
4 OFF OFF ON OFF OFF
5 OFF OFF ON OFF ON
6 OFF OFF ON ON OFF
7 OFF OFF ON ON ON
8 OFF ON OFF OFF OFF
9 OFF ON OFF OFF ON
10 OFF ON OFF ON OFF
11 OFF ON OFF ON ON
12 OFF ON ON OFF OFF
13 OFF ON ON OFF ON
14 OFF ON ON ON OFF
15 OFF ON ON ON ON
16 ON OFF OFF OFF OFF
17 ON OFF OFF OFF ON
18 ON OFF OFF ON OFF
19 ON OFF OFF ON ON
20 ON OFF ON OFF OFF
21 ON OFF ON OFF ON
22 ON OFF ON ON OFF
23 ON OFF ON ON ON
24 ON ON OFF OFF OFF
25 ON ON OFF OFF ON
26 ON ON OFF ON OFF
27 ON ON OFF ON ON
28 ON ON ON OFF OFF
29 ON ON ON OFF ON
30 ON ON ON ON OFF
31 ON ON ON ON ON 2）波特率BAUD（出厂默认波特率为9600bps）
波特率S3 S4 S5
1200bps OFF OFF OFF
2400bps OFF OFF ON
4800bps OFF ON OFF
9600bps OFF ON ON
19200bps ON OFF OFF
38400bps ON OFF ON
57600bps ON ON OFF
115200bps ON ON ON
3）数据格式CM（出厂默认为1个起始位，8个数据位，无校验，1个停止位）通讯的数据格式为：1个起始位，8个数据位，校验和停止位如下：
描述S1 S2
无校验，1个停止位OFF OFF
无校验，2个停止位OFF ON
奇校验，1个停止位ON OFF
偶校验，1个停止位ON ON
3.3 状态指示灯
工作状态描述
红色常亮模块故障
D1
绿色常亮模块正常
红色闪烁或常亮通讯故障或通讯超时
D2
绿色闪烁正在收发通讯数据包注：D2指示灯绿色闪烁的频率和通讯状态有关。通讯波特率越高，闪烁越快；通讯越频繁，闪烁越快；如果总线上没有数据包传输，则不闪烁。
4 IO与模块参数
MODBUS 协议规定了 4 种元件，分别是：离散输入(Discrete Input)、线
圈(Coil）、保持寄存器(Holding Register）、输入寄存器(Input Register）。模块中所有的IO和参数都映射到特定的MODBUS 元件，通过读写这些元件就可以操作模块完成各项功能。
4.1 模拟量输入
M-IF16C模块有16 路模拟量输入通道，分别映射到第0～15号输入寄存器、第0～15号保持寄存器，可通过读输入寄存器、读保持寄存器的值来获得模拟量输入值，如下所示：
Modbus元件
读写输入通道
类型PLC地址Modbus地址
输入寄存器300001 0 只读AI0
保持寄存器400001 0 只读
输入寄存器300002 1 只读AI1
保持寄存器400002 1 只读
输入寄存器300003 2 只读AI2
保持寄存器400003 2 只读
输入寄存器300004 3 只读AI3
保持寄存器400004 3 只读
输入寄存器300005 4 只读AI4
保持寄存器400005 4 只读
输入寄存器300006 5 只读AI5
保持寄存器400006 5 只读
输入寄存器300007 6 只读AI6
保持寄存器400007 6 只读
输入寄存器300008 7 只读AI7
保持寄存器400008 7 只读
输入寄存器300009 8 只读AI8
保持寄存器400009 8 只读AI9 输入寄存器300010 9 只读
保持寄存器400010 9 只读
输入寄存器300011 10 只读AI10
保持寄存器400011 10 只读
输入寄存器300012 11 只读AI11
保持寄存器400012 11 只读
输入寄存器300013 12 只读AI12
保持寄存器400013 12 只读
输入寄存器300014 13 只读AI13
保持寄存器400014 13 只读
输入寄存器300015 14 只读AI14
保持寄存器400015 14 只读
输入寄存器300016 15 只读AI15
保持寄存器400016 15 只读
4.2 模块参数
M-IF16C模块的节点地址、波特率和数据格式通过拨码开关设置后，在上电时自动进行配置，无需软件配置。
M-IF16C模块定义了超时时间参数用于控制通讯超时报警功能。该参数映射到保持寄存器30016（高16位）和保持寄存器30017（低16位）中，该参数通过16号功能码写入模块内部的EEPROM中，上电时自动加载此参数。
超时时间参数为32位无符号整数，单位为ms，该参数范围为0x0000000A～0x000493E0，对应10～300000ms，如0x00002710表示10000ms。如果不需要启用超时功能，将该值设置为0x00000000。
参数元件类型PLC地址Modbus地址功能码描述
保持寄存器430017 30016 超时时间高16位
超时时间
保持寄存器430018 30017 03或16
超时时间
低16位
5通讯协议
M-IF16C模块遵循标准的MODBUS RTU 协议，MODBUS 通讯协议详细信息请参见MODBUS 标准化组织网站：https://www.360docs.net/doc/4911160872.html,/,这里结合M-IF16C模块简要介绍MODBUS RTU 协议。
5.1 MODBUS通讯模式
MODBUS 协议使用查询/响应通讯模式。MODBUS 主站设备向选定地址的从站设备发送请求报文，报文中包含了主站要求从站执行的操作以及完成该操作所需要的任何附加信息。被选定的从站收到请求报文后，执行报文中指定的操作，并根据执行结果发出响应报文。如果操作正确完成，则响应正常报文；如果在执行过程中发生错误，则响应出错报文。主站根据从站响应报文判断从站操作结果，以执行下一步操作。
5.2 模块支持的功能码
M-IF16C模块支持03、04、16号功能码，各功能码及所操作的元件如下表所示。
元件功能码读写功能
保持寄存器03 读读多个保持寄存器I/O
输入寄存器04 读读多个输入寄存器
03 读读多个保持寄存器
参数配置保持寄存器
16 写写多个保持寄存器
5.2.1 03号功能码
1）主站请求报文
报文内容长度取值范围示例
从站地址1字节0x01～0x1F 0x01
功能码1字节0x03 0x03
起始地址2字节0x0000～0x001F 0x0000
输入数量2字节0x0001～0x0020 0x0001
CRC校验2字节0x0000～0xFFFF 0x840A
注1：主站请求报文示例，读从0开始的1个保持寄存器（即读保持寄存器0，映射为模块的第一路模拟量输入AI0）。
注2：起始地址和输入寄存器数量相加不能大于32，否则会以出错报文响应。
2）从站正常响应报文
报文内容长度取值范围示例
从站地址1字节0x01～0x1F 0x01
功能码1字节0x03 0x03
字节数量1字节N 0x02
输入数据N字节0x16EE
CRC校验2字节0x0000～0xFFFF 0x3668
注1：N=响应中数据的字节数量。
注2：从站正常响应报文示例，输入数据为0x16EE，对应的电流为：5870*20/10000=11.74mA（即输入数据值0～10000对应电流值为0～20mA）。
3）从站异常响应报文
报文内容长度取值范围示例从站地址1字节0x01～0x1F 0x01 功能码1字节0x83 0x83
0x01（不是支持的功能码）
0x02（起始地址不在0x0000～0x001F之间）
错误代码1字节
0x01
0x03（寄存器数量不在0x0001～0x0020之间）
0x04（数据校验错误）
CRC校验2字节0x0000～0xFFFF 0x80F0
5.2.2 04号功能码
1）主站请求报文
报文内容长度取值范围示例
从站地址1字节0x01～0x1F 0x01
功能码1字节0x04 0x04
起始地址2字节0x0000～0x001F 0x0000
输入数量2字节0x0001～0x0020 0x0001
CRC校验2字节0x0000～0xFFFF 0x31CA
注1：主站请求报文示例，读从0开始的1个输入寄存器（即读输入寄存器0，映射为模块的第一路模拟量输入AI0）。
注2：起始地址和输入寄存器数量相加不能大于32，否则会以出错报文响应。
2）从站正常响应报文
报文内容长度取值范围示例
从站地址1字节0x01～0x1F 0x01
功能码1字节0x04 0x04
字节数量1字节N 0x02
输入数据N字节0x16EE
CRC校验2字节0x0000～0xFFFF 0x371C
注1：N=响应中数据的字节数量。
注2：从站正常响应报文示例，输入数据为0x16EE，对应的电流为：5870*20/10000=11.74mA（即输入数据值0～10000对应电流值为0～20mA）。
3）从站异常响应报文
报文内容长度取值范围示例从站地址1字节0x01～0x1F 0x01 功能码1字节0x84 0x84
0x01（不是支持的功能码）
0x02（起始地址不在0x0000～0x001F之间）
0x01 错误代码1字节
0x03（寄存器数量不在0x0001～0x0020之间）
0x04（数据校验错误）
CRC校验2字节0x0000～0xFFFF 0x82C0
5.2.3 16号功能码
16号功能码用于写保持寄存器，比如，一次写2个或多个连续的保持寄存器。写时，请求报文中指定的寄存器必须存在并可写，否则模块将以出错报文响应。
1）主站请求报文
报文内容长度取值范围示例
从站地址1字节0x01～0x1F 0x01
功能码1字节0x10 0x10
起始地址2字节0x7540 0x7540
寄存器数量2字节N 0x0002
字节数1字节2*N 0x04
寄存器值2*N字节0x0000，0x2710 CRC校验2字节0x0000～0xFFFF 0xB731
注1：主站请求报文示例，写从30016开始的2个保持寄存器（超时时间参数）。注2：N取值可为2、4、6、8，写入其它值时模块将以出错报文响应。
2）从站正常响应报文
报文内容长度取值范围示例
从站地址1字节0x01～0x1F 0x01
功能码1字节0x10 0x10
起始地址2字节0x7540 0x7540
寄存器数量2字节N 0x0002
CRC校验2字节0x0000～0xFFFF 0x5A10
3）从站异常响应报文
报文内容长度取值范围示例
从站地址1字节0x01～0x1F 0x01 功能码1字节0x90 0x90 错误代码1字节0x01（不是支持的功能码）0x01
0x02（起始地址不在0x0000～0x000F之间）
0x03（寄存器数量不在0x0001～0x0002之间）
0x04（数据校验错误）
CRC校验2字节0x0000～0xFFFF 0x8DC0
6 应用指南
M-IF16C模块是基于RS485总线的IO模块，M-IF16C模块组网时，需要配备以下设备：
1）Modbus主机，如PC、PLC、工控机等；
2）直流电源(+5～+40V)，如12V或24V电源；
3）如果Modbus主机只有RS232接口，则必须配备隔离的RS232/RS485转换器。
如下图所示，以带RS485接口的PC机作为Modbus主机为例
在组网前，需要根据系统需求确定RS485总线的波特率、数据通讯格式以及每个模块的节点地址，这些均可通过10位拨码开关进行设置，拨码开关设置完成后，模块上电时自动保持所设参数，无需软件配置。值得注意的是，总线上每个模块的波特率和数据通讯格式必须一致，且每个模块的节点地址必须是唯一的。
M-IF16C模块遵循标准的Modbus RTU协议，可以与任何遵循Modbus RTU协议的设备配合使用。如常用的组态软件、支持Modbus RTU协议的PLC等，详细信息请见相应的使用说明。
电流采样电路的设计
电流采样电路的设计 文中研制了一套模拟并网发电系统，实现了频率跟踪、最大功率跟踪、相位跟踪、输入欠压保护、输出过流保护、反孤岛效应等功能；采用Atmega16高速单片机，实现了内部集成定时、计数器功能；利用定时器T／C2的快速PWM功能，实现SPWM信号的产生；采用T／C1的输入捕获功能，实现了频率相位监测和跟踪以及对失真度、输入电压、输出电流等物理量的检测与控制。 1 整体方案设计 设计采用Atmega16单片机为主体控制电路，工作过程为：与基准信号同频率、同相位正弦波经过SPWM调制后，输出正弦波脉宽调制信号，经驱动电胳放大，驱动H桥功率管工作，经过滤波器和工频变压器产生于基准信号通频率、同相位的正弦波电流。其中，过流、欠压保护由硬件实现，同步信号采集、频率的采集、控制信号的输出等功能，均由Atmega16完成。系统总体设计框图如图1所示。 2 硬件电路设计 分为DC／AC驱动电路、DC／AC电路和滤波电路3部分和平滑电容C1，电路原理如图2所示。 2．1 DC—AC驱动电路 是由R1、R2、R3、R4、R5、R6、Q3、Q4、P3和P4组成，其中P3和P4是控制信号输入
端，R3和R4为限流电阻。集电极的电流直接影响波形上升沿的陡峭度，集电极电流越大输出的波形越陡峭。因为R2和R1与集电极pn节的寄生电容形成了一个RC充放电的时间常数，集电极pn结的寄生电容无法改变，只有通过改变R1和R2的值来改变时间常数，所以R1和R2值越小，Q3和Q4的集电极电流就越大；RC的充电时间常数越小，波形的上升沿越陡峭，而增加集电极电流，会增加系统的功耗，权衡利弊选择一个合适的值。其次，射级pn 结的寄生电容也会影响Q3和Q4的关断时间和波形上升沿的陡峭度。所以在驱动电路中各加了一个放电回路，即拉地电阻R5和R6，R5和R6的引入，加快了Q3和Q4的关闭速度，这样就使集电极的波形更陡峭。同样在保证基极射极pn不损坏的条件下，基极的电流也是越大越好，但也会带来损耗问题，权衡利弊选择一个合适的值。关于两个电阻的取值，这里假设三极管的放大倍数为β，基极电流Ib，集电极电流Ic，流过R5的电流为I5，流过R3的电流为I3，R3的压降为V3，驱动信号为V，R5的压降为V5，有 实际中R3和R5应该比计算值小，这样是为了让三极管工作在饱和状态，提高系统稳定 性。 2．2 DC-AC电路 是由两只p沟道MOSFET。Q1、Q2和两只n沟道MOSFET Q5、Q6组成。在这里没有采用4只n沟道MOSFET，原因是驱动电路复杂，如果采用上面的驱动电路接近电源的两个导体管不能完全导通，发热量为接近地一侧导体管4倍以上，功耗增加，所以采用对管逆变即减小了功耗，而且驱动电路简单。通过控制4个导体管的开关速度再通过低通滤波器即可实 现DC／AC功能。 2．3 滤波电路 两个肖特基整流二极管1N5822为续流二极管，这里为防止产生负电压，C2、C3、C4、C5、L1、L2组成低通滤波器，其中C5、C6为瓷片电容，C2、C3用电解电容，充放电电流可以流进地，L1、L2为带铁芯的电感，带铁芯的电感对高频的抑制比空心电感更好，电感值 更高。关于参数的选取和截止频率的计算如下 3 采样电路 3．1 电流采样电路的设计 由于终端负载一定，所以电流采样实际等同于一个峰值检测的过程，此电路实际是一个峰值检测电路，P3为信号的2个输入端，调整R10，R11和R17、R18取值来实现峰值测功能，电路中的阻值并不准确，需要实际中根据信号的幅值来调整R10、R11和R17、R18阻值
各种电压电流采样电路设计
常用采样电路设计方案比较 配电网静态同步补偿器（DSTATCOM）系统总体硬件结构框图如图2-1所示。由图2-1可知DSTATCOM的系统硬件大致可以分成三部分，即主电路部分、控制 电路部分、以及介于主电路和控制电路之间的检测与驱动电路。其中采样电路包括3路交流电压、6路交流电流、2路直流电压和2路直流电流、电网电压同步信号。3路交流电压采样电路即采样电网三相电压信号；6路交流电流采样电路分别为电网侧三相电流和补偿侧三相电流的电流采样信号；2路直流电压和2路直流电流的采样电路DSTATCOM的桥式换流电路的直流侧电压信号和电流信号；电网电压 同步信号采样电路即电网电压同步信号。 信号调 理 TMS320 LF2407A DSP 键盘显示 电路电压电流信号驱动电路保护电路 控制电路检测与驱动 电路主电路 图2-1 DSTATCOM系统总体硬件结构框图 1.1常用电网电压同步采样电路及其特点 1.1.1 常用电网电压采样电路 1 从D-STATCOM的工作原理可知，当逆变器的输出电压矢量与电网电压矢 量幅值大小相等，方向相同时，连接电抗器内没有电流流动，而D-STATCOM 工作在感性或容性状态都可由调节以上两矢量的夹角来进行控制，因此，逆变 器输出的电压矢量的幅值及方向的调节都是以电网电压的幅值和方向作为参考的，因此，系统电压与电网电压的同步问题就显得尤为重要。
图2-2 同步信号产生电路1 从图2-2所示同步电路由三部分组成，第一部分是由电阻、电容组成的RC滤波环节，为减小系统与电网的相位误差，该滤波环节的时间常数应远小于系统 的输出频率，即该误差可忽略不计。其中R5=1K，C4=15pF，则时间常数错误！未找到引用源。< 2常用采样电路设计方案比较 配电网静态同步补偿器（DSTATCOM ）系统总体硬件结构框图如图2-1所示。由图2-1可知DSTATCOM 的系统硬件大致可以分成三部分，即主电路部分、控制电路部分、以及介于主电路和控制电路之间的检测与驱动电路。其中采样电路包括3路交流电压、6路交流电流、2路直流电压和2路直流电流、电网电压同步信号。3路交流电压采样电路即采样电网三相电压信号；6路交流电流采样电路分别为电网侧三相电流和补偿侧三相电流的电流采样信号；2路直流电压和2路直流电流的采样电路DSTATCOM 的桥式换流电路的直流侧电压信号和电流信号；电网电压同步信号采样电路即电网电压同步信号。 图2-1 DSTATCOM 系统总体硬件结构框图 2.2.11 常用电网电压同步采样电路及其特点 .1 常用电网电压采样电路1 从D-STATCOM 的工作原理可知，当逆变器的输出电压矢量与电网电压矢量幅值大小相等，方向相同时，连接电抗器内没有电流流动，而D-STATCOM 工作在感性或容性状态都可由调节以上两矢量的夹角来进行控制，因此，逆变器输出的电压矢量的幅值及方向的调节都是以电网电压的幅值和方向作为参考的，因此，系统电压与电网电压的同步问题就显得尤为重要。 图2-2 同步信号产生电路1 从图2-2所示同步电路由三部分组成，第一部分是由电阻、电容组成的RC 滤波环节，为减小系统与电网的相位误差，该滤波环节的时间常数应远小于系统的输出频率，即该误差可忽略不计。其中R 5=1K Ω，5pF，则时间常数错误！未 因此符合设计要求;第二部分由电压比较器LM311构成， 实现过零比较;第三部分为上拉箝位电路，之后再经过两个非门，以增强驱动能力，满足TMS320LF2407的输入信号要求。 C 4=1找到引用源。< 电压电流采样 前言：在学习这个主题的时候，上网查了大量的资料，但大多都是基于电网里的交流大电压和大电流的采样，我个人觉得关于交流的采样以下链接有非常详尽的介绍，而我自己也只是对其进行了较为细致的阅读 https://www.360docs.net/doc/4911160872.html,/view/2d389e06a6c30c2259019e2f.html?from=search 因为我们队里用的直流电压最大为24V，所以接下来我就直流电压及电流的采样说一下自己的见解。 一、基本电路设计及原理学习 1、电压采集回路的设计 工作原理如下所述：从分压电阻取来的电压信号经滤波后，被单片机周期采样。将采样信号转化为0～5V的模拟电压量送给单片机的A/D采样通道，使单片机能采集到当时的电压，以便进行稳压、稳流或限压、限流调节，为控制算法的分析、处理，实现控制、保护、显示等功能提供依据。 （公式推导参见电气专业的模电书，不作详细介绍） 根据上述原理，设计电压采样电路如图下图所示 由于521－4的四个光耦制的电流放电倍数是相同的。即 即把输入电压从较大的直流电压衰减到0～5V。 2、电流采集回路的设计 电流采集的原理图如上图所示。其工作原理与电压采集的原理基本相同，区别主要在电流的输入信号为分流器输出的信号，信号范围为0－75mV，显然信号太弱，对于分辨率不高的A/D精度显然不够。通过LM324将其放大。根据放大器的工作原理，放大的倍数为β＝R63B/R61B=400K/10K=40。从而使得VI点的电压范围为0－3V，而VI点相对于AGNDW的电压与AC1点相对于AGND的电压的关系跟中，Vi点电压与AC0点电压的关系类似。在此处我们通过调节RW6，将0－75mV 的电压信号（分流器上的电压）放大到0－5V，供单片机采样。 二、自己设计（DIY） 经过一段时间的学习，我根据上述基本原理和所学知识设计了一款新的采样电路 FOC控制基于电阻的电流采样方案比较 最近有时间把TI ST还有Microchip三家关于PMSM控制中使用电阻采样相的电路看了一下，发现各家都有自己的特点，就做个总结吧。 1.TI C2000系列双电阻采样法 原理说明 在U相和V相的下桥分别串联一个功率电阻，通过一个运放电路连接至A/D。采样时机放在PWM的下溢中断进行，U V两相电阻上的电流即为电机U V相的线电流。 关键点 (1)采样时机： 必须在下桥臂全部导通的时候进行采样。 在软件设计的时候,采用下溢中断(处于第7段和第1段零矢量区域中),将电流采样的任务安排在一个PWM周期的开始处,在比较匹配到来之前的期间,U、V两相的上桥臂都是关断的,也就是说下桥臂是导通的,这样就可以在每个PWM周期顺利采样一次两个相电流值。 (2)采样方式 因为电机绕组线圈呈感性，线圈上的相电流不能突变，因此从矢量U0 转换到零矢量后，其对应的工作状态转换如图所示，其中二极管能起到续流作用，此时，下桥臂采样电阻上流过的是相电流，因此在每个PWM周期前期通过下桥臂的采样电阻检测相电流是可行的。 开关状态为000时电流的流通路径 (3)采样电流电路 从上图可以看出，流经各相采样电阻的电流是正负的，故采样电阻上端的电压是一个带正负信号的正弦波形(下端为地)，后级运放电路作用是将整体电压抬高，并且进行比例增益。 2.STM32的方案：三电阻采样法 (1)电流处理： 采样电阻上端采集到的电压是一个带正负的正弦波形，所以其后端一定要接一个运放电路，一方面是滤波，更重要的则是把采集到的信号缩放到AD能采集的电压范围。这个电路可以采用同相比例放大+偏移。 (2)AD触发： 在STM32的高级定时器中，除了产生三相PWM波的CH1,CH2,CH3之外还有一个CH4，这个通道只能产生一路PWM波，它可以用来触发AD，可以比较容易的和前面几个PWM波同步，而且配置好周期能非常灵活的取采样点。(3)相采样选择： 每次需要采集两个电流，采集哪两个电流由SVPWM当前扇区决定。每次只有在下桥臂打开的时候才能进行采样。 (4)干扰Tnoise和Trise： Tnoise是每次开关管打开或者关闭时，对当前采集的相电压的影响时间。Trise 是每次开关管打开的时候该相电流会有一个跳变，需要一段时间来稳定。在这两个时间里面不能采集电流。 (5)SVPWM： SVPWM是FOC算法的最后一步，根据前面运算得到的数据，修改PWM波形输出，从而修正电机的运行，同时确定下次相电流采样的扇区。 [R1]此处与TI方案不同，ST方案根据扇区号来确定当前需要采样的电流相，而TI根据二极管续流可以持续获得稳定的U/V相电流反馈，TI的方法更好 DSP 交流采样电路设计 1．实验目的 本次实验针对电气工程及其自动化专业及测控专业。通过综合实验，使学生对所学过的DSP在继电保护中的应用有一个系统的认识，并运用自己学过的知识，自己设计模拟继电保护过程实验系统。要求用DSP完成对电网的电压的采样，然后经过DSP的处理，可以对系统继电器的跳合进行控制，自己设计，自己编程，最后自行调试，自行实现自己的设计。在整个试验过程中，摆脱以往由教师设计，检查处理故障的传统做法，由学生完全自己动手，互相查找处理故障，培养学生动手能力。学生试验应做到以下几点： 1. 通过DSP程序的设计模拟继电保护跳闸实验，进一步了解DSP在继电保护中的应用。 2. 通过实验线路的设计，计算及实际操作，使理论与实际相结合，增加感性认识，使书本知识更加巩固。 3. 培养动手能力，增强对DSP运用的能力。 4..培养分析，查找故障的能力。 5. 增加对DSP外围电路的认识。 2．实验设备 DSP板、仿真器、面包板、采样板器件，电烙铁，其它工具。 3．实验原理 1、DSP最小系统电路图 1、模拟电子线路 （一）、电流采样电路的设计 本次电流采样电路选择的电流互感器总共由两级，前一级互感器变比为4A ：1A ，第二级互感器采用TA1015-1,其变比为5A:5mA ，也就是1000:1，两级总共的互感器比例为4000:1。 即电流互感器一次侧的电流大小为4A ，二次侧的电流大小为1A ，二级互感器的二次侧电流大小为1mA 。如图3-6，在互感器二次侧并一个1K 的电阻即可将一次侧的4A 的强电流信号变换为二次侧的弱电压信号，其计算公式为: )(0.14000/4/12mA A k i i === (3-1) )(0.1101100.13322V R i u =***==- (3-2) 其峰值为： )(414.10.1222V u u p =*== (3-3) 即电流互感器二次侧输出的电压范围为-1.414V 至+1.414V ，即一次回路里的220V 的工频交流便被线性转化为-1.414V 至+1.414V 。 信号电路共有三级，第一级为偏置放大环节，它能够将交流信号调理成DSP 能准确进行AD 转换的0V 至3.3V 的直流信号。第二级为有源滤波环节，该环节能够滤去信号调理电路里的高频干扰信号。第三极为跟随环节，其输入高阻抗，输出低阻抗，进一步增加了信号调理电路的抗干扰能力。 - 常用采样电路设计方案比较 配电网静态同步补偿器（DSTATCOM）系统总体硬件结构框图如图2-1所示。由图2-1可知DSTATCOM的系统硬件大致可以分成三部分，即主电路部分、控制电路部分、以及介于主电路和控制电路之间的检测与驱动电路。其中采样电路包括3路交流电压、6路交流电流、2路直流电压和2路直流电流、电网电压同步信号。3路交流电压采样电路即采样电网三相电压信号；6路交流电流采样电路分别为电网侧三相电流和补偿侧三相电流的电流采样信号；2路直流电压和2路直流电流的采样电路DSTATCOM的桥式换流电路的直流侧电压信号和电流信号；电网电压同步信号采样电路即电网电压同步信号。 控制电路电路主电路 图2-1 DSTATCOM系统总体硬件结构框图 常用电网电压同步采样电路及其特点 1.1.1 常用电网电压采样电路1 从D-STATCOM的工作原理可知，当逆变器的输出电压矢量与电网电压矢量幅值大小相等，方向相同时，连接电抗器内没有电流流动，而D-STATCOM工作在感性或容性状态都可由调节以上两矢量的夹角来进行控制，因此，逆变器输出的电压矢量的幅值及方向的调节都是以电网电压的幅值和方向作为参考的，因此，系统电压与电网电压的同步问题就显得尤为重要。 图2-2 同步信号产生电路1 】 从图2-2所示同步电路由三部分组成，第一部分是由电阻、电容组成的RC滤波环节，为减小系统与电网的相位误差，该滤波环节的时间常数应远小于系统的输出频率，即该误差可忽略不计。其中R5=1K ，C4=15pF，则时间常数 < P M S M电机矢量控制之电流采样原理分析 PMSM 电机矢量控制之电流采样原理分析 摘要：本文分析了PMSM 电机磁场定向控制(FOC)器的电流采集硬件电路，包括母线电流采样和相线电流采样的电路分析。以下电路是业界常用、稳定、经典的不二之选，工作之余，在此与同僚分享一下。 156 21R Uop Up R Up V cc -=-----------------------------------------(1-1) 158 N 157N O R U R U U =--------------------------------------------------(1-2) P N U U =-----------------------------------------------------------(1-3) 整理后，代入数值得： 230 U 220V 10U OP CC P +=-----------------------------------------(1-4) O N U 11.21.2U =----------------------------------------------------(1-5) P N U U =-----------------------------------------------------------(1-6) 最终，推出： OP O U 8.93V 1.34U +=-----------------------------------------(1-7) 一、当MOS 管IRFB3607处于正向导通状态时，电流在一定范围内会使二极管D13处于不导通状态(Up-Un<0.7V)，但是电流超过阈值后，便会使二极管D13导通，并将电压嵌制在0.7V 。当MOS 管IRFB3607处于反向导通状态时，其体二极管也起到电压嵌制作用，电路工作原理相似。 56 92BM P 93P CC R R U U R U V +-=----------------------------------------------------------------------(2-1) 132 OP N 140N O R U U R U U -=----------------------------------------------------------------------(2-2) P N U U =---------------------------------------------------------------------------------------(2-3) 令15692R R R =+，代入上式(2-1)，整理得： 93 1BM 93CC 1P R R U R V R U ++=----------------------------------------------------------------------(2-4) 140132OP 140O 132N R R U R U R U ++= --------------------------------------------------------------------(2-5) 伺服电机控制系统中电流采样三种方案的比较 罗映, 万超 （华南理工大学广东广州510640） 摘要：伺服电机控制系统中，精确的电流采样是实现高性能闭环控制系统的关键。本文针对电流检测常用的三种方案进行了实验和比较，获得了三种方案各自优势和缺点的清晰认识，这对基于不同的条件选择合适的电流检测方案提供了参考。 关键字：电机控制伺服系统电流环电流检测 Comparison of the three schemes of current sampling in the controlling system of servo motor Ying Luo, Chao Wan (South China university of technology, Guangzhou 510640 , China) Abstract:in the controlling system of servo motor, accurate current sampling is the key of realizing the high-powered close loop controlling system. In this paper, aim at three normal schemes of current sampling, do some experiments and compare the results, then obtain very clear cognition about the advantages and the faults of the schemes respectively, that can supply the reference for choosing proper scheme of current sampling in the base of different situation. Key words: motor controlling, servo system, the loop of current, current sampling 1前言 对于数字化伺服电机控制系统，转矩环的性能直接影响着系统的控制效果，电流采样的精度和实时性很大程度上决定了系统的动、静态性能，精确的电流检测是提高系统控制精度、稳定性和快速性的重要环节，也是实现高性能闭环控制系统的关键。在伺服电机控制系统中，电流检测的方案有多种，常见的一种方案是使用霍耳传感器[1]，将电流信号经过电磁转换，变换为直流电压信号输出，然后，通过运放和比较器构成的处理电路处理后，输入到处理器；另一种方案是，取采样电阻两端的电压，经线性光藕或者隔离放大器进行信号隔离，调理后接A/D转换器输入进行数字化，获取电流的采样值，而数字化的过程即可以利用处理器中的A/D转换通道实现[3] [4]，也可以利用根据∑-?原理实现的模拟量直接转换为数字量的隔离调制芯片来实现[2]。本文通过对这三种方案分别进行电路设计和具体实验后所得结果的比较分析，对三种方案各自的特点有了清晰的认识，这有利于基于不同的条件选择合适的方案来提高伺服控制系统的整体性能。 2伺服电机控制系统简介 本系统采用交直交电压型变频电路，主电路由整流电路、滤波电路及智能功率模块IPM逆变电路构成，控制部分以DSP芯片TMS320LF2812为核心，CPLD作为辅助处理模块，构成功能齐全的全数字矢量控制系统，系统结构如图1所示，从图1可以看出，本系统是一个有电流、转速和位置负反馈的三闭环系统，DSP负责采样各相电流，计算电机的转速和位置，最后运用矢量控制算法，得到电压矢量PWM控制信号，经过光藕隔离电路后，驱动逆变器功率开关器件；同时DSP还监控变频调速系统的运行状态，当系统出现短路、过流、过压、过热等故障时，DSP将封锁SVPWM信号，使电机停机，并通过LED显示。CPLD模块负责对光栅尺反馈的位置信息和上位机发送脉冲形式指令信息进行滤波和计数，并将数据以总线方式传送给DSP；同时处理键盘输入和显示输出，以及开关量的输入输出。 伺服电机控制系统中电流采样的作用就是检测交流同步电动机的三相定子电流并转换成相应的信号输入到DSP中，再由DSP的AD模块转化成数字量进行处理。因为本文研究的是三相平衡系统Ia＋Ib+Ic=0，因此只要检测其中的两路电流，就可以得到三相电流。 详细解析电流采样电路的设计 电流采样电路的设计 文中研制了一套模拟并网发电系统，实现了频率跟踪、最大功率跟踪、相位跟踪、输入欠压保护、输出过流保护、反孤岛效应等功能；采用Atmega16高速单片机，实现了内部集成定时、计数器功能；利用定时器T／C2的快速PWM功能，实现SPWM信号的产生；采用T／C1的输入捕获功能，实现了频率相位监测和跟踪以及对失真度、输入电压、输出电流等物理量的检测与控制。 1 整体方案设计设计采用Atmega16单片机为主体控制电路，工作过程为：与基准信号同频率、同相位正弦波经过SPWM调制后，输出正弦波脉宽调制信号，经驱动电胳放大，驱动H桥功率管工作，经过滤波器和工频变压器产生于基准信号通频率、同相位的正弦波电流。其中，过流、欠压保护由硬件实现，同步信号采集、频率的采集、控制信号的输出等功能，均由Atmega16完成。系统总体设计框图如图1所示。 2 硬件电路设计分为DC／AC驱动电路、DC／AC电路和滤波电路3部分和平滑电容C1，电路原理如图2所示。 是由R1、R2、R3、R4、R5、R6、Q3、Q4、P3和P4组成，其中P3和P4是控制信号输入端，R3和R4为限流电阻。集电极的电流直接影响波形上升沿的陡峭度，集电极电流越大输出的波形越陡峭。因为R2和R1与集电极pn节的寄生电容形成了一个RC充放电的时间常数，集电极pn结的寄生电容无法改变，只有通过改变R1和R2的值来改变时间常数，所以R1和R2值越小，Q3和Q4的集电极电流就越大；RC的充电时间常数越小，波形的上升沿越陡峭，而增加集电极电流，会增加系统的功耗，权衡利弊选择一个合适的值。其次，射级pn结的寄生电容也会影响Q3和Q4的关断时间和波形上升沿的陡峭度。所以在驱动电路中各加了一个放电回路，即拉地电阻R5和R6，R5和R6的引入，加快了Q3和Q4的关闭速度，这样就使集电极的波形更陡峭。同样在保证基极射极pn不损坏的条件下，基极的电流也是越大越好，但也会带来损耗问题，权衡利弊选择一个合适的值。关于两个电阻的取值，这里假设三极管的放大倍数为β，基极电流Ib，集电极电流Ic，流过 3.4 A/D采样电路及信号调理电路 对连续信号) x,按一定的时间间隔s T抽取相应的瞬时值（即通常所 (t 说的离散化），这个过程称为采样。) x经过采样后转换为时间上离散的模拟 (t 信号) x，简称为采样信号。 (s s nT 本系统中采集的模拟量主要是交流电压/电流（计算功率用）、整流输出直流电压/电流（用作脉冲调整）等交流量和直流量，此外加调理电路的作用是把采样信号进行硬件上的定标，变成DSP的A/D口可以识别的0~电平以内的信号。 3.4.1互感器电路原理及选型 图电压互感器原理图 如图，电流型电压互感器采用星格SPT204A（2mA/2mA）,R1是熔断电阻防止电流过大烧坏互感器，R2为限流电阻将电压信号转化为2mA电流信号，R3为压敏电阻起过电压保护作用，二次侧输出为2 mA电流信号送至采样模块。 5A输入 2.5mA输出 图电流互感器原理图 如图，电流互感器采用互感器采用星格SCT254AZ，将一次侧5A交流输入转化为输出送至采样板。 3.4.2交流电压/电流采样电路 交流电压/电流采样电流采样信号来自同步变压器经霍尔电压/电流传感器的电压电流源。 为了更清楚的阐述采样电路的工作原理，首先需对电路中的重要器件LM358作简要说明： LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。 （1）交流电压采样电路整流器的输入是三相三线制，无中线，交流电压采集的是经过电流型电压互感器后的交流电流信号,以A相采样电路为例，如下图所示，输入电压经过放大电路电压跟随之后，叠加+的直流量，确保正弦电压的负半周上移到DSP能处理的单极性电压信号+电压范围之内： 图交流采样电路 Rd0为熔断电阻,防止电流过大；Rd1, Rd2为限流电阻，LM358作电压跟随。滑动变阻器Wd0另一侧输入+电压，将电压信号变为单极性信号；电容Cd2、Cd3起去耦作用;电阻Rd3为限流电阻，限定电路的工作电流.，使电路在一个合适的工作状态下运行。稳压管Dd0电压设为3V,使得ADCINB1口的输出电压基本稳定在3V及其以下。采样之后的信号送至TMS320F2812的A/D口进行处理。 (2) 交流电流采样电路交流电流采样电路与电压采样原理基本相同，但相比较而言，电流采样电路更为复杂，同样以A相电流采样为例，采样电路图如下图所示： 电流采样电路的设计 电流采样电路的设计 摘要：文中研制了一套模拟并网发电系统，实现了频率跟踪、最大功率跟踪、相位跟踪、输入欠压保护、输出过流保护、反孤岛效应等功能;采用Atmega16高速单片机，实现了内部集成定时、计数器功能;利用定... 文中研制了一套模拟并网发电系统，实现了频率跟踪、最大功率跟踪、相位跟踪、输入欠压保护、输出过流保护、反孤岛效应等功能;采用Atmega16高速单片机，实现了内部集成定时、计数器功能;利用定时器T/C2的快速PWM功能，实现SPWM信号的产生;采用T/C1的输入捕获功能，实现了频率相位监测和跟踪以及对失真度、输入电压、输出电流等物理量的检测与控制。 随着国际工业化的进程，全球未来能源消耗预计以3%的速度增长，常规能源面临日益枯竭的窘境。人们开始了可再生能源与新能源技术的开发，最具发展前景的当属风力发电和太阳能发电，即光伏并网发电。 1 整体方案设计 设计采用Atmega16单片机为主体控制电路，工作过程为：与基准信号同频率、同相位正弦波经过SPWM调制后，输出正弦波脉宽调制信号，经驱动电胳放大，驱动H桥功率管工作，经过滤波器和工频变压器产生于基准信号通频率、同相位的正弦波电流。其中，过流、欠压保护由硬件实现，同步信号采集、频率的采集、控制信号的输出等功能，均由Atmega16完成。系统总体设计框图如图1所示。 2 硬件电路设计 分为DC/AC驱动电路、DC/AC电路和滤波电路3部分和平滑电容C1，电路原理如图2所示。 2.1 DC—AC驱动电路 是由R1、R2、R3、R4、R5、R6、Q3、Q4、P3和P4组成，其中P3和P4是控制信号输入端，R3和R4为限流电阻。集电极的电流直接影响波形上升沿的陡峭度，集电极电流越大输出的波形越陡峭。因为R2和R1与集电极pn节的寄生电容形成了一个RC充放电的时间常数，集电极pn结的寄生电容无法改变，只有通过改变R1和R2的值来改变时间常数，所以R1和R2值越小，Q3和Q4的集电极电流就越大;RC的充电时间常数越小，波形的上升沿越陡峭，而增加集电极电流，会增加系统的功耗，权衡利弊选择一个合适的值。其次，射级pn结的寄生电容也会影响Q3和Q4的关断时间和波形上升沿的陡峭度。所以在驱动电路中各加了一个放电回路，即拉地电阻R5和R6，R5和R6的引入，加快了Q3和Q4的关闭速度，这样就使集电极的波形更陡峭。同样在保证基极射极pn不损坏的条件下，基极的电流也是越大越好，但也会带来损耗问题，权衡利弊选择一个合适的值。关于两个电阻的取值，这里假设三极管的放大倍数为β，基极电流Ib，集电极电流Ic，流过R5的电流为I5，流过R3的电流为I3，R3的压降为V3，驱动信号为V，R5的压降为V5，有 伺服驱动器中电流采样电路的设计 引言现如今，交流伺服电机因为其优良的性能，已经在工业生产中占据了举足轻重的地位，而伺服驱动器作为伺服电机的控制系统，其本身的优劣将直接影响到驱动电机的使用性能。在伺服驱动控制系统中，为实现磁场定向控制，需要至少对两相电机绕组的电流进行采样，这两路电流采样将作为电流反馈信号使伺服驱动实现电流闭环，可以这样说，电流信号采样是伺服控制系统硬件的一个重要模块，也是一大难点。常规电流采样电路设计如今，大多数伺服驱动使用采样电阻和线性光耦搭建的一路电流采样电路，如图1所示。其中，rsense是功率型采样电阻，mc34081为运算放大器，78l05为三端稳压电源。hcpl-7840为线性光耦，其2,3引脚为信号输入端，6,7引脚为信号输出端，在输入端输出端供电电压均为5v的情况下，当2,3引脚输入的差值电压变化时，6,7引脚的输出信号将随着输入信号分别进行递增和递减的线性变化。由图1 所示可知，当伺服电机正常工作时，将采集通过绕组的电流信号转变为采集采样电阻两端电压值，并将该电压值通过线性光耦进行隔离放大，再经过运算放大器，a/d转换送给dsp进行数据分析，进而实现电流环闭环控制。在实际实验过程中，由于伺服电机等外界条件干扰，dsp所接收到的电流采样信号会有相 对较大程度的干扰，故必须在电路中增加相应的滤波措施。新型电流采样电路设计采用采样电阻和线性光耦搭建的采样电路均为模拟电路，很容易受到外界的干扰，在电路调试过程中，滤除杂波尤为繁琐。为使得电流采样信号更精确，使电流环闭环效果更好，我们又设计了一种采用高压线性电流传感器ir2175来实现电流采样的方案，并做对比实验。芯片概述ir2175是ir公司专为交流或直流无刷电机的驱动应用而设计的高压线性电流传感器，它内置电流检测和保护电路，可通过串联在绕组回路的采样电阻来进行电流采样，并且该芯片能自动 采样调理电路 Document serial number【NL89WT-NY98YT-NC8CB-NNUUT-NUT108】 3.4 A/D采样电路及信号调理电路 对连续信号) x,按一定的时间间隔s T抽取相应的瞬时值（即通常所说的离散化），这个过程 (t 称为采样。) x，简称为采样信号。 (s x经过采样后转换为时间上离散的模拟信号) (t s nT 本系统中采集的模拟量主要是交流电压/电流（计算功率用）、整流输出直流电压/电流（用作脉冲调整）等交流量和直流量，此外加调理电路的作用是把采样信号进行硬件上的定标，变成DSP的A/D口可以识别的0~3.3V电平以内的信号。 3.4.1互感器电路原理及选型 图3.9电压互感器原理图 如图3.9，电流型电压互感器采用星格SPT204A（2mA/2mA）,R1是熔断电阻防止电流过大烧坏互感器，R2为限流电阻将电压信号转化为2mA电流信号，R3为压敏电阻起过电压保护作用，二次侧输出为2mA电流信号送至采样模块。 图3.10电流互感器原理图 如图3.10，电流互感器采用互感器采用星格SCT254AZ，将一次侧5A交流输入转化为2.5mA 输出送至采样板。 3.4.2交流电压/电流采样电路 交流电压/电流采样电流采样信号来自同步变压器经霍尔电压/电流传感器的电压电流源。 为了更清楚的阐述采样电路的工作原理，首先需对电路中的重要器件LM358作简要说明：LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。 （1）交流电压采样电路整流器的输入是三相三线制，无中线，交流电压采集的是经过电流型电压互感器后的交流电流信号,以A相采样电路为例，如下图所示，输入电压经过放大电路电压跟随之后，叠加+1.5V的直流量，确保正弦电压的负半周上移到DSP能处理的单极性电压信号+3.3V 电压范围之内： 图3.11交流采样电路 //#################################################################### //*文件名：Dsp2812_adc_test.c //*功能：对2812进行交流电流和电压采样 //#################################################################### // 说明：ADC时钟频率：12.5MHz， // 采样频率：6000Hz(0.1667ms) // 级联顺序采样模式，采样2路，ADCINA0-电流，ADCINA1=电压；// 采样窗口为16个ADCCLK // 启动方式：EV A //################################################################## #include "Dsp281x_device.h" #include "Dsp281x_Examples.h" #include "math.h" void ADC_init(void); void EV A_init(void); void convert(void); void display_init(void); void display(Uint16 j); void processv(void); void processi(void); void sequence(float v[],int p); float v[120]={0}; //用于存放ADC转换的电压结果 float i[120]; //用于存放ADC转换的电流结果 int adclo; float ve; //存放电压有效值 float ie; //存放电流有效值 int m=0; int n=0; void main() { InitSysCtrl(); //高速时钟HSPCLK=75MHz DINT; InitPieCtrl(); //允许PIE中的ADC采样中断 IER=0x0000; IFR=0x0000; InitPieV ectTable(); EALLOW; GpioMuxRegs.GPAMUX.bit.PWM1_GPIOA0=0; //跳闸 摘要: 准确地在线测量直流母线电压、电流及输出的三相电流信号, 是设计高性能变频器产品的必备条件之一, 本文经过对电压、电流检测方案比较、分析, 提供了设计变频器中具有很好参考价值的几种实用电路, 并给出了相应的实验结果。 1. 前言 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置, 其最主要的特点是具有高效率的驱动性能及良好的控制特性。简单地说变频器是经过改变电机输入电压的频率来改变电机转速的。从电机的转速公式能够看出, 调节电机输入电压的频率f, 即可改变电机的转速n。当前几乎所有的低压变频器均采用图1所示主电路拓扑结构。 部分1为整流器, 作用是把交流电变为直流电, 部分2为无功缓冲直流环节, 在此部分能够采用电容作为缓冲元件, 也可用电感作为缓冲元件。部分3是逆变器部分, 作用是把直流电变为频率可调整的三相交流电。中间环节采用电容器的这种变频器称之为交直交电压型变频器, 这种方式是当前通用型变频器广泛应用的主回路拓扑。本文将重点讨论这种结构在电压、电流检测设计中应注意的一些问题。变频器在运行过程中为什么要对电压、电流进行检测呢? 这就需要从电机的结构和控制特性上说起: ①三相异步电动机的转矩是由电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产生的, 在额定频率下, 如果电压一定而只降低频率, 那么磁通就过大, 磁回路 饱和, 严重时将烧毁电机。因此, 频率与电压要成比例地改变, 即改变频率的同时控制变频器输出电压, 使电动机的磁通保持一定, 避免弱磁和磁饱和现象的产生。 ②变频器运行中, 过载起动电流为额定电流的1.2~1.5倍; 过流保护为额定电流的2.4~3倍( 根据不同性质的负载要求选择不同的过流保护点) ; 另外还有电流闭环无跳闸、失速防止等功能都与变频器运行过程中的电流有关。 ③为了改进变频器的输出特性, 需要对变频器进行死区补偿, 几种常见的死区补偿方法均需检测输出电流。 ④电动机在运转中如果降低指令频率过快, 则电动状态将变为发电状态运行, 再生出来的能量贮积在变频器的直流电容器中, 由于电容器的容量和耐压的关系, 就需要对电压进行及时、准确地检测, 给变频器提供准确、可靠的信息, 使变频器在过压时进行及时、有效的保护处理。同时变频器上电过程、下电过程都需要判断当前直流母线电压的状态来判断程序下一步的动作。 鉴于电压、电流检测的重要性, 在变频器设计中采用对电压、电流进行准确、有效检测的方法是十分必要的。 2.在线测量电压的几种方案设计 变频器的过电压或欠电压集中表现在直流母线的电压值上。正常情况下, 变频器直流电压为三相全波整流后的平均值。若以380V线电压计算, 则平均直流电压。在过电压发生时, 直流母线的储能电容将被充电, 主电路内的逆变器件、整流器件以及滤波电容等都可能受到损害, 当电压上升至约800V左右时, 变频器过电压保护功能动作; 另外变频器发生欠压时( 350V左右) 也不能正常工作。对变频器而言, 有一个正常的工作电压范围, 当电压超过或低于这个范围时均可能损坏变频器, 因此, 必须在线检测母线电压, 常见的电压检测方案有三种。 1)变压器方案 图2中, P为直流母线电压正( +) , N为直流母线电压负( -) 。 电压电流采集回路的设计 本充电模块利用80C196KC本身的A/D转换器，实现对电压、电流等重要参数的采集。由于80C196KC单片机的A/D转换器对外加控制电压有一定要求，它只允许对0～+5V的标准电压进行转换，而实际的输入不仅有幅值的差异而且有极性的不同，因此需要将输入电压用精密电阻进行衰减，隔离成0－＋5V的信号供单片机采集；而将输入电流隔离、放大成0－＋5V的信号供单片机采集。但是对输入的信号既要进行隔离，又要将它等比例地送给单片机，一般都采用线性光耦，如HCNR200，但其价格较高，因此我们采用另一种方法，利用普通光耦合和运放实现线性光耦的功能。电压采样回路电路如图1－2所示，电流采样回路电路如图1－3所示。 3．1 电压采集回路的设计 电压采样电路如图1－2所示，其工作原理如下所述： 从分压电阻取来的充电电压信号经滤波后，被单片机周期采样。将采样信号转化为0～5V的模拟电压量送给单片机的A/D采样通道ACH0，使单片机能采集到当时的电压，以便进行稳压、稳流或限压、限流调节，为控制算法的分析、处理，实现控制、保护、显示等功能提供依据。 图1－2 电压采样电路 由于521－4的四个光耦制造工艺相同，可以近似地认为它们的电流放电倍数是相同的。即 即把输入电压从0～300V衰减到0～5V。 3．2 电流采集回路的设计 图1－3 电流采样电路 电流采集的原理图如图1－3所示。其工作原理与电压采集的原理基本相同，区别主要在电流的输入信号为分流器输出的信号，信号范围为0－75mV，显然信号太弱，对于分辨率不高的A/D精度显然不够。在这里，我们通过LM324将其放大。根据放大器的工作原理，放大的倍数为β＝R63B/R61B=400K/10K=40。从而使得VI点的电压范围为0－3V，而VI点相对于AGNDW的电压与AC1点相对于AGND的电压的关系跟图1－2中，Vi点电压与AC0点电压的关系类似。在此处我们通过调节RW6，将0－75mV的电压信号（分流器上的电压）放大到0－5V，供单片机采样。常用电流和电压采样电路
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