矢量控制的电流检测方式
EV技研
公众号EV技研作者1900 2019-8-30 电动汽车


电流测量:逆变器电路的电流检测方法 

电机驱动用的逆变器电路使用经整流过的直流电源。如图1所示,

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图1

连接电机的 三相装有向各个桥臂供电的电力器件(这里是IGBT)。根据采用的直流电压及电流,电力器件有所不同。空调室外机(500V/20A)等 使用的是分立IGBT,冰箱压缩机(500V/1A)使用的是可以用微控制器直接驱动的 IPD(Intelligent Power Device,智能电力器件)等。用于矢量控制的三相电机电流,有以下检测方式。 

三分流电阻式 

在各相的下臂晶体管和地之间安装分流电阻,用运算放大器进行电压放大,然后 通过微控制器的A-D转换器进行测量。与双电流传感器式相比,成本低,但采样时间 受限。

 单分流电阻式

 在逆变器的地线上串联分流电阻,用计算放大器进行电压放大,然后通过微控制器的 A–D转换器进行测量。在一个PWM周期内,通过测量不同的2个输出点,计算三相电流。这种方式的成本最低,但是存在无法测量电流的时间,而且低速时这个时间会变长。

 双电流传感器(电流互感器 / 电流传感器)方式 

这是3种方式中成本最高的一种,随时能够测量电流,而且有着不易受噪声影响的优点。传感器装在三相电机驱动线中的二相上,剩余的一相电流通过下式计算:Iu + Iv + Iw=0三分流电阻式 三分流电阻式逆变器电路如图2(a)所示。各相的下臂晶体管和地之间安装有分 流电阻,

图2

用运算放大器对其电压放大后,通过微控制器的A-D转换器进行电流测量。因为要减小发热导致的损耗,使用0.1Ω的分流电阻。因此,产生的电压很微 弱。如果使用0.01Ω的分流电阻,产生的电压只有 0.01Ω×10A=0.1V 需要用运算放大器进行放大。通过分流电阻检测的电压以地为中心,在正负间摆动。为了能用A-D转换器测 量,要用运算放大器等对分流电阻的取样电压进行放大,转换为2.5V传感器的0~5V 信号,如图2(b)所示。

电流采样时间 

为防止三相的电流值因时间差变动,

图3

如图3(a)所示,在相同时间采样测量。另外,因为晶体管中的续流二极管(FWD),流出地的电流得以持续流动,而流入 地的电流取决于下臂晶体管的开通。因此,如图3(b)所示,无论是怎样的输出占 空比,在电流检测时间,下臂晶体管持续开通,自PWM计数器的三角波的波峰开始 采样。

电流值计算方法 

电机电流I U、I V、I W,可以根据流入下臂电力器件x、y、z连接的分流电阻Rx、 Ry、Rz的电流Ix、Iy、I z求得。检测电流Ix、Iy、I z中,一个PWM的高电平输出时间比 其他的短,有可能获取不到正确的电压。因此,通常不采用这相电压,而是通过剩余 的二相电压进行计算。根据三相驱动波形的相位θs区分的6个区段(图4),电流检测相各不相同。

1567151600325.jpg

图4

以各区段输出效率最大的相进行计算。

 ① 区段1(θs=0°~60°):IV=-Iy,IW=-Iz,IU=-IV - IW

② 区段2(θs=60°~120°):IW=-Iz,IU=-Ix,IV=-IW - IU

③ 区段3(θs=120°~180°):IW=-Iz,IU=-Ix,IV=-IW - IU

④ 区段4(θs=180°~240°):IU=-Ix,IV=-Iy,IW=-IU - IV

⑤ 区段5(θs=240°~300°):IU=-Ix,IV=-Iy,IW=-IU - IV

⑥ 区段6(θs=300°~360°):IV=-Iy,IW=-Iz,IU=-IV - IW

单分流电阻式 单分流电阻式逆变器电路如图5所示。

1567151600320.jpg

图5

在逆变器的地线上串联分流电阻,用运 算放大器对其电压进行放大,然后通过微控制器的A-D转换器进行电流测量。与三分流电阻式相同,需要用运算放大器进行放大,但电压只向正侧摆动,所以 不需要位移电路。

电流采样时间

 单分流电阻式电流检测,测量三相电流汇集到一路的电流。因此,通过测量一个PWM 周期内不同的二个输出点得到二相电流,计算剩余一相的电流,最终确定三相电流。图5.10说明了区段1(电气角0~60°)的计算方法。通过区段1的三相调制得到的 1个周期的PWM输出,有下列4种:

 (UVW):(000),(100),(110),(111)这里,0表示低电平(地侧晶体管开通),1表示高电平(VDC侧晶体管开通)。其中,输出(100)和(110)时,测量分流电阻的电压;输出(100)时,分流 电阻的电流是 Iy 和 Iz 之和;输出(110)时,分流电阻的电流与Iz相等。利用这些结 果和Iu + Iv + Iw=0,可以按图7所示的公式求得三相电流。

图6

电流值计算方法

 在各区段之间,下式成立。单分流电阻式中,可测量的电流随时间变化(图7)。

图7

① 区段1(θs=0~60°):电流方向U→V、W(100),U、V→W(110) (110):IW=-Ir (100):IU=Ir IV=-IU - IW

② 区段2(θs=60°~120°):电流方向U、V→W(110),V→W、U(010) (110):IW=-Ir (010):IV=Ir IU =-IV - IW

③ 区段3(θs=120°~180°):电流方向V→W、U(010),V、W→U(011) (010):IV=Ir (011):IU=-Ir IW=-IU - IV

 ④ 区段4(θs=180°~240°):电流方向V、W→U(011),W→U、V(001) (011):IU=-Ir (001):IW=Ir IV=-IU - IW

⑤ 区段5(θs=240°~300°):电流方向W→U、V(001),W、U→V(101) (001):IW=Ir (101):IV=-Ir IU=-IV - IW

 ⑥ 区段6(θs=300°~360°):电流方向W、U→V(101),U→V、W(100) (101):IV=-Ir (100):IU=Ir IW=-IU - IV



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