一种多通道相互隔离的电压采样控制装置及电压采样装置的制作方法

本实用新型属于电压测量技术领域，尤其涉及一种多通道相互隔离的电压采样控制装置及电压采样装置。

背景技术：

新能源技术、并网技术和三相可控制整流设备常需要同时测量三相电压及直流侧电压，而为了保护智能控制设备如单片机控制器等的安全，高压侧和低压侧的采样信号往往需要进行隔离。常用的隔离办法有线性光耦隔离、数字信号隔离、变压器隔离、隔离运放和霍尔传感器隔离等。线性光耦隔离由于半导体的非线性导致隔离后的信号线性度不好；数字信号隔离由于需要进行多次数据缓存和转换会导致采样信号的延迟；变压器隔离方式侧只能用于交流采样场景；霍尔传感器由于需要限制输入电流，限制输入电流常用限流电阻将电压信号转换为电流信号后使用，限流电阻需要选择功率大阻值大的电阻，而大功率电阻精度往往难以保证，并且限流电阻在工作时会产生巨大的热量，不利于长期工作。目前常用的电压隔离电路往往仅将高压侧和低压侧进行隔离，而在高压侧相互之间没有隔离措施，这将导致电路无法同时测量三相交流电压及直流电压，即使能够测量高压侧电压或电流，将会在测量电路中产生很大的热量，会容易受到温度影响，从而难以保证测量的精度。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种多通道相互隔离的电压采样控制装置及电压采样装置，本实用新型能够实现灵活地配置电压采样通道数量，有效增强了采样设备的扩展性，并将采集的电压信号送入处理器进并输出PWM脉冲信号对驱动单元进行控制，线性好，控制灵活。为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术效果：

根据本发实用新型的一个方面，提供了一种多通道相互隔离的电压采样控制装置，所述电压采样控制装置包括交流隔离单元、驱动单元、中央控制单元和多通道电压采样单元，所述多通道电压采样单元包括至少一个直流电压采集单元和若干个交流电压采集单元，所述交流隔离单元的初级输入端连接在交流母线上，所述交流隔离单元的次级输出端分别与所述交流电压采集单元的采样输入端和驱动单元的输入端连接，所述驱动单元的输出端与直流电压采集单元的采样输入端连接，所述交流电压采集单元的输出端和直流电压采集单元的采样输出端分别与所述中央控制单元的采集输入端连接，所述中央控制单元的输出控制端与所述驱动单元的输入控制端连接。

上述方案进一步优选的，每一个交流电压采集单元包括一个独立供电电源、一个交流前级采样电路、一个交流隔离变换电路和一个交流后级变换电路，所述独立供电电源的电源输出端分别与所述交流前级采样电路的电源端连接，所述交流前级采样电路的采样输入端连接在交流隔离单元的输出端，所述交流前级采样电路的输出端通过交流隔离变换电路与所述交流后级变换电路的输入端连接，该交流后级变换电路的输出端与所述中央控制单元的采集输入端连接；所述直流电压采集单元包括直流供电电源、逻辑供电电源、直流前级采样电路、直流隔离变换电路和直流后级变换电路，所述直流前级采样电路的采样输入端与所述驱动单元的输出端连接，所述直流前级采样电路的输出端通过直流隔离变换电路与所述直流后级变换电路的输入端连接，该直流后级变换电路的输出端与所述中央控制单元的采集输入端连接；所述直流供电电源的电源输出端与直流前级采样电路的电源端连接，所述逻辑供电电源的电源输出端分别与所述直流隔离变换电路的电源端、交流隔离变换电路的电源端、直流后级变换电路的电源端、交流后级变换电路的电源端和中央控制单元的电源端连接。

上述方案进一步优选的，所述交流前级采样电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、第一运算放大器U1和第二运算放大器U2，所述交流后级变换电路包括电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R1f、第三运算放大器U3和第四运算放大器U4，所述交流隔离变换电路包括霍尔传感器U5，所述电阻R1的一端和电阻R2的一端分别连接在交流隔离单元的次级输出端，该电阻R1的另一端分别与所述第一运算放大器U1的正极输入端和电阻R3的一端连接，所述电阻R2的另一端分别与述述第一运算放大器U1的负极输入端和电阻R4的一端连接，所述第一运算放大器U1的输出端分别与电阻R4的另一端和电阻R5的一端连接，该电阻 R5的另一端与所述第二运算放大器U2的正极输入端连接，该第二运算放大器U2的输出端分别与电阻R6的一端和第二运算放大器U2的负极输入端连接，该电阻R6的另一端与所述霍尔传感器U5的信号输入端连接，所述霍尔传感器U5的信号输出端分别与电阻R7的一端和电阻R8的一端连接，所述电阻R8的另一端分别与第三运算放大器U3的负极输入端、电阻R9的一端和电阻R10的一端连接，该电阻R10的另一端与所述逻辑供电电源的参考输出端连接，所述第三运算放大器U3的输出端分别与电阻R9的另一端和电阻 R11的一端连接，该电阻R11的另一端分别与所述第四运算放大器U4的负极输入端和电阻R1f的一端连接，该第四运算放大器U4的输出端分别与电阻 R1f的另一端和中央控制单元的采集输入端连接，所述电阻R3的另一端、电阻R7的另一端、第三运算放大器U3的正极输入端和第四运算放大器U4的负极输入端与地连接。

上述方案进一步优选的，所述直流前级采样电路包括电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、第五运算放大器U6和第六运算放大器U7，所述直流后级变换电路包括电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R2f、第七运算放大器U8和第八运算放大器U9，所述直流隔离变换电路包括霍尔传感器U10，所述电阻R12的一端和电阻R13 的一端分别连接在驱动单元的输出端，该电阻R12的另一端分别与所述第五运算放大器U6的正极输入端和电阻R14的一端连接，所述电阻R13的另一端分别与述述第五运算放大器U6的负极输入端和电阻R15的一端连接，所述第五运算放大器U6的输出端分别与电阻R15的另一端和电阻R16的一端连接，电阻R16的另一端与所述第六运算放大器U7的正极输入端连接，该第六运算放大器U7的输出端分别与电阻R17的一端和第六运算放大器U7的负极输入端连接，该电阻R17的另一端与所述霍尔传感器U10的信号输入端连接，所述霍尔传感器U10的信号输出端分别与电阻R18的一端和电阻R19的一端连接，所述电阻R19的另一端分别与第七运算放大器U8的负极输入端、电阻 R20的一端和电阻R21的一端连接，该电阻R21的另一端与所述逻辑供电电源的参考输出端连接，所述第七运算放大器U8的输出端分别与电阻R20的另一端和电阻R22的一端连接，该电阻R22的另一端分别与电阻R2f的一端和第八运算放大器U9的负极输入端连接，该第八运算放大器U9的输出端分别与电阻R2f的另一端和中央控制单元的采集输入端连接，所述电阻R14的另一端、电阻R18的另一端、第七运算放大器U8的正极输入端和第八运算放大器U9的正极输入端与地连接。

上述方案进一步优选的，所述电压采样控制装置还包括人机交互单元，所述人机交互单元与所述中央控制单元连接，所述人机交互单元为一个彩色触摸屏。

上述方案进一步优选的，所述交流电压采集单元的数量至少为3个。

上述方案进一步优选的，所述交流隔离单元为三相隔离变压器。

根据本实用新型的另一方面，还提供了一种电压采样装置，包括中央控制单元、人机交互单元和多通道电压采样单元，所述多通道电压采样单元包括至少一个直流电压采集单元和若干个交流电压采集单元，所述交流电压采集单元的初级输入端连接在交流输出的交流母线上，所述直流电压采集单元的采样输入端连接在直流输出的直流母线上，所述交流电压采集单元的输出端和直流电压采集单元的输出端分别与所述中央控制单元的采集输入端连接，所述中央控制单元与所述人机交互单元进行连接。

上述方案进一步优选的，每一个交流电压采集单元包括一个独立供电电源、一个交流前级采样电路、一个交流隔离变换电路和一个交流后级变换电路，所述独立供电电源的电源输出端分别与所述交流前级采样电路的电源端连接，所述交流前级采样电路的采样输入端连接在交流输出的交流母线上，所述交流前级采样电路的输出端通过交流隔离变换电路与所述交流后级变换电路的输入端连接，该交流后级变换电路的输出端与所述中央控制单元的采集输入端连接；所述直流电压采集单元包括直流供电电源、逻辑供电电源、直流前级采样电路、直流隔离变换电路和直流后级变换电路，所述直流前级采样电路的采样输入端连接在直流输出的直流母线上，所述直流前级采样电路的输出端通过直流隔离变换电路与所述直流后级变换电路的输入端连接，该直流后级变换电路的输出端与所述中央控制单元的采集输入端连接；所述直流供电电源的电源输出端与直流前级采样电路的电源端连接，所述逻辑供电电源的电源输出端分别与所述直流隔离变换电路的电源端、交流隔离变换电路的电源端、直流后级变换电路的电源端、交流后级变换电路的电源端和中央控制单元的电源端连接。

综上所述，由于本实用新型采用了上述技术方案，本实用新型具有以下技术效果：

本实用新型分别采用了多组交流采样单元和一组直流采样单元分别对变流输出的电压进行采集，能够将高压交流电或者高压直流电转换为0～3V的直流信号用于DSP采集，由于各个通道电源相互隔离，所以在采样时不用考虑采用电压的供地问题，可同时采集三相交流电压和直流电压；在霍尔电压传感器的输入端经过了运放缩减后再流入霍尔电压传感器，限流电阻发热小，精度高，抗干扰性强。本实用新型能够实现灵活地配置电压采样通道数量，有效增强了采样设备的扩展性，并将采集的电压输入DSP处理器进行运算分析，DSP处理器输出PWM脉冲信号对驱动单元进行控制，线性好，控制灵活。

附图说明

图1是本实用新型的一种多通道相互隔离的电压采样控制装置的原理图；

图2是本实用新型的直流电压采集单元和交流电压采集单元的原理图；

图3是本实用新型的驱动单元的电路原理图；

图4是本实用新型的交流电压采集单元的电路原理图；

图5是本实用新型的直流电压采集单元的电路原理图；

图6是本实用新型的一种电压采样装置的原理图；

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本实用新型进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本实用新型的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本实用新型的这些方面。

如图1和图2所示，根据本发实用新型的一个方面，提供了一种多通道相互隔离的电压采样控制装置，所述电压采样控制装置包括交流隔离单元、驱动单元、人机交互单元、中央控制单元和多通道电压采样单元，所述多通道电压采样单元包括至少一个直流电压采集单元和若干个交流电压采集单元，所述交流隔离单元的初级输入端连接在交流母线上，所述交流隔离单元的次级输出端分别与所述交流电压采集单元的采样输入端和驱动单元的输入端连接，所述驱动单元的输出端与直流电压采集单元的采样输入端连接，所述交流电压采集单元的输出端和直流电压采集单元的采样输出端分别与所述中央控制单元的采集输入端连接，所述中央控制单元的输出控制端与所述驱动单元的输入控制端连接，所述人机交互单元与所述中央控制单元连接，所述人机交互单元为一个彩色触摸屏，人机交互单元用于显示电压数据。所述交流隔离单元为三相隔离变压器，三相隔离变压器输出的U、V、W三个接线端子用于接入功率驱动单元，如图3所示，所述驱动单元采用为6个IGBT功率管组成的桥臂驱动单元，所述中央控制单元为DSP处理器，6个IGBT功率管组成的桥臂受到中央控制单元(DSP处理器)的控制，所述直流电压采集单元和交流电压采集单元采集的电压信号送入DSP处理器进行运行算，经过运算后DSP处理器将输出一个调制波用于控制6个IGBT功率管组成的桥臂，从而控制三相交流电流接入负载的电流，中央控制单元通过控制该6个IGBT 功率管的开关顺序，从而实现三相交流电转换为直流电，并调节直流电输出的电压，驱动单元的输出直流电端子+DC和-DC输出的电压经压电容滤波后输出给负载。

在本实用新型中，结合图1、图2、图3和图4所示，所述交流电压采集单元的数量至少为3个，每一个交流电压采集单元包括一个独立供电电源、一个交流前级采样电路、一个交流隔离变换电路和一个交流后级变换电路，所述独立供电电源的电源输出端分别与所述交流前级采样电路的电源端连接，所述交流前级采样电路的采样输入端连接在交流隔离单元的输出端，所述交流前级采样电路的输出端通过交流隔离变换电路与所述交流后级变换电路的输入端连接，该交流后级变换电路的输出端与所述中央控制单元的采集输入端连接；所述直流电压采集单元包括直流供电电源、逻辑供电电源、直流前级采样电路、直流隔离变换电路和直流后级变换电路，所述直流前级采样电路的采样输入端与所述驱动单元的输出端连接，所述直流前级采样电路的输出端通过直流隔离变换电路与所述直流后级变换电路的输入端连接，该直流后级变换电路的输出端与所述中央控制单元的采集输入端连接；所述直流供电电源DC的电源输出端与直流前级采样电路的电源端连接，所述逻辑供电电源的电源输出端(三个电源输出端VCC1、VCC2和VCC3)分别与所述直流隔离变换电路的电源端VCC1、交流隔离变换电路的电源端VCC1、直流后级变换电路的电源端VCC2、交流后级变换电路的电源端VCC2和中央控制单元的电源端VCC3连接；由于交流电压采集单元都采用一个独立供电电源，以及交流交流后级变换电路采用了另外一个逻辑供电电源进行供电，隔离前与隔离后的电路采用相互独立的电源，从而将第1个交流电压采集单元至第N 个交流电压采集单元的各个通道电源进行相互隔离，所以在采样时不用考虑采用电压的共地问题。在本实用新型中，所述交流前级采样电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、第一运算放大器U1和第二运算放大器U2，所述交流后级变换电路包括电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R1f、第三运算放大器U3和第四运算放大器U4，所述交流隔离变换电路包括霍尔传感器U5，该霍尔传感器采用的型号为LV25_P 霍尔电压传感器，所述电阻R1的一端和电阻R2的一端分别连接在交流隔离单元的次级输出端，该电阻R1的另一端分别与所述第一运算放大器U1的正极输入端和电阻R3的一端连接，所述电阻R2的另一端分别与述述第一运算放大器U1的负极输入端和电阻R4的一端连接，所述第一运算放大器U1的输出端分别与电阻R4的另一端和电阻R5的一端连接，该电阻R5的另一端与所述第二运算放大器U2的正极输入端连接，该第二运算放大器U2的输出端分别与电阻R6的一端和第二运算放大器U2的负极输入端连接，该电阻R6 的另一端与所述霍尔传感器U5的信号输入端连接，所述霍尔传感器U5的信号输出端分别与电阻R7的一端和电阻R8的一端连接，所述电阻R8的另一端分别与第三运算放大器U3的负极输入端、电阻R9的一端和电阻R10的一端连接，该电阻R10的另一端与所述逻辑供电电源的参考输出端连接，所述第三运算放大器U3的输出端分别与电阻R9的另一端和电阻R11的一端连接，该电阻R11的另一端分别与所述第四运算放大器U4的负极输入端和电阻R1f 的一端连接，该第四运算放大器U4的输出端分别与电阻R1f的另一端和中央控制单元的采集输入端连接，所述电阻R3的另一端、电阻R7的另一端、第三运算放大器U3的正极输入端和第四运算放大器U4的负极输入端与地连接，在本实用新型中，采用3个交流电压采集单元分别连接在交流隔离单元(三相隔离变压器)的U、V、W三个交流接线端子上，其中每个单元的电阻R1 分别连接在三个交流接线端子上，电阻R2连接在零线上，由第一运算放大器 U1和第二运算放大器U2分别组成差分电路和电压跟随电路组成，所述第一运算放大器U1将交流隔离单元输出的电压进行缩减，缩减比例为R1/R3倍，且R1＝R2，R3＝R4，其中，R1、R2、R3和R4分别为电阻R1至电阻R4的阻值，所述第二运算放大器U2作为电压跟随器用于提高第一运算放大器U1 输出电压信号的驱动能力，电阻R6作为配置电阻，用于将第二运算放大器 U2输出的电压信号转换为电流信号输入霍尔传感器U5内，从而完成对采样电压进行衰减后驱动霍尔传感器U5，霍尔传感器U5的次级输出电流通过电阻R7转换为电压信号，再经过由第三运算放大器U3组成的加法器将逻辑供电电源输出的参考电压信号Vf进行提升，Vf为一个精密的且电压值大小为 1.5V的直流参考电压，所述独立供电电源和逻辑供电电源分别输出的电压为 +15V、-15V、+3V、+5V和+1.5V，然后连接至由第四运算放大器U4组成的比例运算放大器，其中，独立供电电源的电源输出端分别与第一运算放大器 U1和第二运算放大器U2的电源端连接(未图示)，所述逻辑供电电源的电源输出端分别与霍尔传感器U5的电源输入端、第三运算放大器U3的电源输入端和第四运算放大器U4的电源输入端连接，从而使所述霍尔传感器U5将电流信号转换为电压信号并进行提升，以便进行后续调理，使得第四运算放大器U4最终输出的直流电压为0～3V，用于输入至中央控制单元(DSP处理器)进行运行算，中央控制单元(DSP处理器)根据运算的结果，进行调整驱动单元的输出电流。因此，多个通道的交流电压采集单元的前后级之间形成了一个独立的隔离采样通道，而且电源相互隔离，因此，可根据需要进行选取电压采集的通道数，每个通道之间的相互隔离，不产生干扰。

在本实用新型中，结合图1、图2、图3和图5所示，由于直流电压采集单元单独采用了一个直流供电电源，从而与交流采集单元的的电源进行了隔离，同时直流隔离变换后也单独采用了一个逻辑供电电源，所以在采样时以及隔离变换后不用考虑采用电压的共地问题；从而减少电路中热量的产生，从而保证了检测的精度，提高了电路的干扰能力。在本实用新型中，所述直流前级采样电路包括电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、第五运算放大器U6和第六运算放大器U7，所述直流后级变换电路包括电阻 R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R2f、第七运算放大器 U8和第八运算放大器U9，所述直流隔离变换电路包括霍尔传感器U10，所述电阻R12的一端和电阻R13的一端分别连接在驱动单元的输出端，该电阻R12 的另一端分别与所述第五运算放大器U6的正极输入端和电阻R14的一端连接，所述电阻R13的另一端分别与述述第五运算放大器U6的负极输入端和电阻 R15的一端连接，所述第五运算放大器U6的输出端分别与电阻R15的另一端和电阻R16的一端连接，电阻R16的另一端与所述第六运算放大器U7的正极输入端连接，该第六运算放大器U7的输出端分别与电阻R17的一端和第六运算放大器U7的负极输入端连接，该电阻R17的另一端与所述霍尔传感器U10的信号输入端连接，所述霍尔传感器U10的信号输出端分别与电阻R18的一端和电阻 R19的一端连接，所述电阻R19的另一端分别与第七运算放大器U8的负极输入端、电阻R20的一端和电阻R21的一端连接，该电阻R21的另一端与所述逻辑供电电源的参考输出端连接，所述第七运算放大器U8的输出端分别与电阻R20 的另一端和电阻R22的一端连接，该电阻R22的另一端分别与电阻R2f的一端和第八运算放大器U9的负极输入端连接，该第八运算放大器U9的输出端分别与电阻R2f的另一端和中央控制单元的采集输入端连接，所述电阻R14的另一端、电阻R18的另一端、第七运算放大器U8的正极输入端和第八运算放大器U9的正极输入端与地连接。在本实用新型中，所述电阻R12和电阻R13分别驱动单元的输出直流电端子-DC和+DC上，因此，由第五运算放大器U6和第六运算放大器U7分别组成差分电路和电压跟随电路组成，所述第五运算放大器U6将驱动单元的输出的电压或电流进行缩减，缩减比例为R12/R14倍，且R12＝R13， R14＝R15，其中，R12、R13、R14和R15分别为电阻R12至电阻R15的阻值，所述第六运算放大器U7作为电压跟随器用于提高第五运算放大器U6输出电压信号的驱动能力，电阻R17作为配置电阻，用于将第六运算放大器U7输出的电压信号转换为电流信号并输入霍尔传感器U10内，从而完成对采样电压进行衰减后驱动霍尔传感器U10，霍尔传感器U10的次级输出电流通过电阻R18转换为电压信号，再经过由第七运算放大器U8组成的加法器将逻辑供电电源输出的参考电压信号Vf1(+1.5V左右的直流电压)进行提升，所述逻辑供电电源分别输出的电压为+15V、-15V、+3V、+5V和+1.5V，然后连接至由第八运算放大器U9组成的比例运算放大器，其中，直流供电电源DC的电源输出端分别与第五运算放大器U6和第六运算放大器U7连接，所述逻辑供电电源的电源输出端分别与霍尔传感器U10的电源输入端、第七运算放大器U8的电源输入端和第八运算放大器U9的电源输入端连接，从而时所述霍尔传感器U10将电流信号转换为电压信号并进行提升，以便进行后续调理，使得第八运算放大器U9 最终输出的直流电压为0～3V，用于输入至中央控制单元(DSP处理器)进行运行算，中央控制单元(DSP处理器)根据运算的结果，进行调整驱动单元的输出电流。

在本实用新型中，如图2和图6所示，还提供了一种电压采样装置，包括中央控制单元、人机交互单元和多通道电压采样单元，所述多通道电压采样单元包括至少一个直流电压采集单元和若干个交流电压采集单元，所述交流电压采集单元的初级输入端连接在交流输出的交流母线上，所述直流电压采集单元的采样输入端连接在直流输出的直流母线上，所述交流电压采集单元的输出端和直流电压采集单元的输出端分别与所述中央控制单元的采集输入端连接，所述中央控制单元与所述人机交互单元进行连接；每一个交流电压采集单元包括一个独立供电电源、一个交流前级采样电路、一个交流隔离变换电路和一个交流后级变换电路，所述独立供电电源的电源输出端分别与所述交流前级采样电路的电源端连接，所述交流前级采样电路的采样输入端连接在交流输出的交流母线上，所述交流前级采样电路的输出端通过交流隔离变换电路与所述交流后级变换电路的输入端连接，该交流后级变换电路的输出端与所述中央控制单元的采集输入端连接；所述直流电压采集单元包括直流供电电源、逻辑供电电源、直流前级采样电路、直流隔离变换电路和直流后级变换电路，所述直流前级采样电路的采样输入端连接在直流输出的直流母线上，所述直流前级采样电路的输出端通过直流隔离变换电路与所述直流后级变换电路的输入端连接，该直流后级变换电路的输出端与所述中央控制单元的采集输入端连接；所述直流供电电源的电源输出端与直流前级采样电路的电源端连接，所述逻辑供电电源的电源输出端分别与所述直流隔离变换电路的电源端、交流隔离变换电路的电源端、直流后级变换电路的电源端、交流后级变换电路的电源端和中央控制单元的电源端连接，本实用新型提供的一种电压采样装置广泛应用于交直流变换中的交流采样和直流采样检测控制，例如充放电过程中交流交流端的电压和电流采样检测以及直流输出端的直流充电检测，还可以应用于电网中的交流逆变的直流-交流或者交流-直流的逆变过程检测。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。