直流無(wú)刷電機(jī)電流檢測(cè)技術(shù)的研究

1、ldc s1 s3 s5uc d1 d3 d5cs4 s6 s2d4 d6 d2位置 2位置 1電流傳感器 直流無(wú)刷電機(jī)電流檢測(cè)技術(shù)的研究 陳玉榮，倪光正（浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027）摘 要 近幾年，永磁直流無(wú)刷電機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，出現(xiàn)了多種控制系統(tǒng)。為此，分析了已有的各種直流無(wú)刷電機(jī)電流檢測(cè)技術(shù),提出了改進(jìn)的方法，并通過(guò)輪轂式電機(jī)在電動(dòng)汽車(chē)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了 該方法的有效性。關(guān)鍵詞 動(dòng)力機(jī)械工程；直流無(wú)刷電機(jī)；研究設(shè)計(jì)；電流檢測(cè)；電流傳感器中圖分類(lèi)號(hào)tm33文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼a文章編號(hào)1003188x(2004)01010603的全部信息。傳統(tǒng)的方法是直接通過(guò)傳感器測(cè)量相

2、電流，為確保系統(tǒng)安全，還需要過(guò)載保護(hù)和直流短 路保護(hù)，這樣又需要用一個(gè)傳感器測(cè)量直流母線(xiàn)電 流。三相直流無(wú)刷電機(jī)用這種方法檢測(cè)，需要 4 個(gè) 電流傳感器，由此構(gòu)成的系統(tǒng)控制性能好，可以進(jìn) 行電流閉環(huán)控制，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小。缺點(diǎn)是成本高、 結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裝置體積大，因此只用于對(duì)控制性能要 求很高的場(chǎng)合。一種解決措施是把電流傳感器集成 到功率開(kāi)關(guān)中，分別控制各相電流。這種方法把電 流傳感器和電機(jī)分離，可以減小電機(jī)的體積。正常 導(dǎo)通的時(shí)候可以準(zhǔn)確地檢測(cè)各相電流；換相的時(shí)候， 電流通過(guò)續(xù)流二極管導(dǎo)通。因此，這種方法的缺陷 是：只有功率開(kāi)關(guān)合上的時(shí)才能檢測(cè)到電流，而檢 測(cè)不到通過(guò)續(xù)流二極管的電流。對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)不太

3、敏感的控制系統(tǒng)，只需要控制 平均轉(zhuǎn)矩。這種情況下，可以通過(guò)直流側(cè)電流估算 出相電流，進(jìn)而控制轉(zhuǎn)矩。此方法只需要一個(gè)電流 傳感器，圖 1 表示這種方法的基本結(jié)構(gòu)。用這種方 法電流傳感器可以放在位置 1，即濾波電容和逆變 器之間；也可以放在位位置 2，即直流電源和濾波 電容之間。下面分別進(jìn)行分析。1引言直流無(wú)刷電機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)bldcm）采用電子換相代替機(jī)械換相，既具備交流電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電機(jī)的運(yùn) 行效率高、無(wú)勵(lì)磁損耗、調(diào)速方法簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，所 以在各個(gè)領(lǐng)域得到越來(lái)越多的應(yīng)用（如醫(yī)療器械、 計(jì)算機(jī)硬件、各種機(jī)械的動(dòng)力、各種儀表等）。其控 制系統(tǒng)也成了人們研究的熱點(diǎn)

4、，但直流無(wú)刷電機(jī)的 控制方法還不完善，現(xiàn)有的各種控制方法還存在一 定的缺陷，本文對(duì)電流檢測(cè)方面進(jìn)行了研究。bldcm 的輸出轉(zhuǎn)矩和相電流成正比，因此轉(zhuǎn)矩 一般通過(guò)調(diào)節(jié)相電流來(lái)控制 。有效的電流檢測(cè)是控 制方法實(shí)現(xiàn)的前提，也是提高控制性能的基礎(chǔ)。本 文討論了一些現(xiàn)有的 bldcm 電流檢測(cè)方法，主要是 單電流傳感器方法。同時(shí),針對(duì)不同的驅(qū)動(dòng)方法提出 了改進(jìn)單電流傳感器的電流檢測(cè)方法，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 驗(yàn)證。2電流檢測(cè)方法分析在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較敏感的系統(tǒng)中，通常需要相電流圖 1(1) 電流傳感器在圖 1 的位置 1 的情況下，只 有兩相導(dǎo)通的時(shí)候，如 s1、s6 閉合，電流回路如圖主電路 2 所示，電流傳感器

5、檢測(cè)到的值等于相電流。再根 據(jù)位置傳感器的信息，就可以確定哪兩相導(dǎo)通以及收稿日期 2003-06-23作者簡(jiǎn)介 陳玉榮 （ 1979-）， 男，浙江江山人 ，浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院碩士，主要從事電動(dòng)汽車(chē)方面的研究工作。 ls1 d1 s3 d3 s5 d5vcc cs4d4 s6 d6 s2 d2a bls1 d1 s3 d3 s5 d5 vcc cs4 d4 s6 d6 s2 d2bd1d2d3d4電流的方向、大小。換相的時(shí)候，如 s6 斷開(kāi)，電流回路如圖 3 所示。 相電流通過(guò) s1、a 相、b 相和 d3 形成回路，直流電 源和電容 c 形成另一個(gè)回路，電流回路如圖 3 所示。 這時(shí)，電流

6、不經(jīng)過(guò)電流傳感器，因此檢測(cè)不到電流。 因此，這種方法的缺陷是只能在非換相期間檢測(cè)到 電流，續(xù)流期間檢測(cè)不到電流。(2) 電流傳感器在圖 1 的位置 2 的情況下，兩 相導(dǎo)通的時(shí)（如 s1 和 s6 合上的時(shí)），電流回路如圖2 所示，相電流等于直流電源和電容輸出電流之和。 s6 斷開(kāi)的時(shí)候，電流回路如圖 3 所示，相電流通過(guò) s1、a 相、b 相和 d3 形成回路，直流電源和電容 c 形 成另一個(gè)回路，通過(guò)傳感器的電流等于電容的充電 電流。電容電壓一個(gè)周期的變化是零，假設(shè)充電電 流和放電電流是常數(shù)，忽略濾波電容的電壓波動(dòng)， 因?yàn)殡姼械淖饔?，可以認(rèn)為整個(gè)周期內(nèi)通過(guò)電流傳 感器的電流是常數(shù)，則相電流

7、可以簡(jiǎn)單地通過(guò)電流 傳感器和 pwm 占空比獲得，即相電流等于傳感器檢 測(cè)值和占空比的比值。量大，影響了控制器的響應(yīng)速度，而且不能測(cè)得實(shí)際的相電流，測(cè)量精度較低。3改進(jìn)的方法以上分析的方法都有一定的缺陷。本文針對(duì)輪轂式電機(jī)在電動(dòng)汽車(chē)上的應(yīng)用，為了能夠檢測(cè)到實(shí)際的相電流，提出改進(jìn)電流檢測(cè)方法，其電路結(jié)構(gòu) 如圖 4、圖 5 和圖 6 所示。本文采用 120導(dǎo)通方式， 分別考慮了全橋和半橋兩種驅(qū)動(dòng)方式。3.1半橋驅(qū)動(dòng)(1) 電流檢測(cè)方法如圖 4 所示。通過(guò)電流傳感 器的導(dǎo)線(xiàn)有 4 根，其中 1 根是直流母線(xiàn)，3 根是續(xù) 流二極管電流的通路。圖 4 半橋驅(qū)動(dòng)電流檢測(cè) 導(dǎo)通期間，只有直流母線(xiàn)有電流通過(guò)，

8、電流大 小等于相電流，方向?yàn)檎苷_檢測(cè)到相電流。 續(xù)流階段，只有下半橋的功率器件被關(guān)斷，上 半橋仍然導(dǎo)通，續(xù)流電流通過(guò)一個(gè)上橋臂功率管和 一個(gè)上橋臂續(xù)流二極管形成續(xù)流回路，因此傳感器 檢測(cè)到的是通過(guò)續(xù)流二極管的電流，等于相電流。 (2) 有些功率管中集成了續(xù)流二極管，不能引 出通過(guò)續(xù)流二極管的電流。針對(duì)這種情況，本文采用圖 5 所示的電流檢測(cè)方法。圖 2 電流回路 1圖 3 電流回路 2以上算法是在理想情況下的，只有兩相通電， 不通相電流為零。實(shí)際上，電流傳感器測(cè)量的電流 有脈動(dòng)，電流脈動(dòng)和繞組電感、濾波電容、pwm 頻 率的平方成反比，和占空比也有關(guān)系，因此傳感器 測(cè)到的電流并不是常數(shù)；

9、換相時(shí)的相電流脈動(dòng)也不 能忽略，尤其是相電流較大或繞組電感較大的時(shí)候， 這種情況下只能算出平均相電流。這種方法的缺陷是：計(jì)算平均電流的積分運(yùn)算圖 5 半橋驅(qū)動(dòng)電流檢測(cè)（集成續(xù)流二極管） - 107 -d1d2導(dǎo)通期間，相電流通過(guò)直流母線(xiàn)，即通過(guò)電流傳感器，其余 3 根通過(guò)電流傳感器的導(dǎo)線(xiàn)沒(méi)有電流。 續(xù)流期間，由于二級(jí)管 d1 的存在，電流不通過(guò)功率 管內(nèi)部集成的續(xù)流二極管，而是通過(guò)附加的續(xù)流二 極管 d2、d3、d4 中的一個(gè)。這樣，電流傳感器就可 以檢測(cè)到續(xù)流期間的相電流。3.2全橋驅(qū)動(dòng) 全橋驅(qū)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)通期間和續(xù)流期間相電流都通過(guò)直流母線(xiàn)導(dǎo)通，因此只需檢測(cè)直流母線(xiàn)電流。但 導(dǎo)通和續(xù)流期間的母

10、線(xiàn)電流方向相反，針對(duì)這個(gè)問(wèn) 題，本文采用兩個(gè)反并聯(lián)二極管改變通過(guò)傳感器的 電流方向，使整個(gè)周期檢測(cè)到的電流方向都相同， 其電路結(jié)構(gòu)如圖 6 所示。電流傳感器測(cè)量，直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般采用雙邊 pwm。 本實(shí)驗(yàn)是電動(dòng)汽車(chē)研究的一部分，輪轂式電機(jī)為三相星型聯(lián)接且內(nèi)部有集成的位置傳感器。根據(jù) 輪轂式電機(jī)的特點(diǎn)以及電動(dòng)汽車(chē)控制系統(tǒng)的需要， 本實(shí)驗(yàn)采用全橋控制電路，逆變器運(yùn)行在 120雙 邊 pwm 模式。本實(shí)驗(yàn)采用兩個(gè)永磁直流無(wú)刷輪轂式電動(dòng)機(jī)， 其額定功率是 500w,額定轉(zhuǎn)速是 360r/min；采用 10 節(jié)封閉式鉛酸蓄電池，額定電壓 12v，額定能量 17ah；實(shí)驗(yàn)車(chē)采用輕型的公園游樂(lè)車(chē)；控

11、制器核心 采用 ti 公司的 tms320f240 芯片，其 pwm 輸出控制 各個(gè)功率管的開(kāi)關(guān)。由于這輛電動(dòng)汽車(chē)采用后輪兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，因 此該系統(tǒng)需要兩個(gè)相同的電流檢測(cè)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)中只 設(shè)計(jì)其中的一個(gè)。占空比為 75%時(shí)，根據(jù)直流母線(xiàn)電流波形（從 圖 1 中的位置 2 測(cè)得）得到的相電流波形，如圖 7 所示。根據(jù)本位方法得到的相電流波形，如圖 8 所 示。圖 6 全橋驅(qū)動(dòng)電流檢測(cè) 導(dǎo)通期間，電流通過(guò) d2 流過(guò)電流傳感器；續(xù)流 期間，電流通過(guò) d1 流過(guò)電流傳感器。這樣，在兩個(gè) 階段檢測(cè)到的電流方向一致，不需進(jìn)行處理。圖 7 根據(jù)母線(xiàn)電流得到的相電流 4實(shí)驗(yàn)三相直流無(wú)刷電機(jī)有星形和三角形兩種聯(lián)

12、接方式，有半橋、全橋兩種控制電路，全橋控制電路又有兩兩通電方式和三三通電方式。逆變器可以運(yùn)行 在 60、120、180等模式下。由于 60模式換 相較復(fù)雜，而 180模式轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大（從 1/2 最 大轉(zhuǎn)矩到最大轉(zhuǎn)矩），因此 120模式是最常用的。 這種模式下，電流任意時(shí)刻只在兩相中導(dǎo)通，通過(guò) 轉(zhuǎn)子位置信號(hào)可以知道是哪兩相導(dǎo)通以及電流的方 向；根據(jù)逆變器功率開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的波形，脈寬 調(diào)制技術(shù)（pwm）有單邊 pwm、雙邊 pwm、雙邊補(bǔ)償 pwm3 種驅(qū)動(dòng)方式。3 種 pwm 方法的區(qū)別是關(guān)斷時(shí)刻 的模式不同，而開(kāi)通時(shí)刻是一樣的。雙邊補(bǔ)償 pwm 和單邊 pwm 的開(kāi)關(guān)損耗比雙邊 pwm 小

13、，但是必須根 據(jù)功率管的導(dǎo)通情況進(jìn)行電流采樣，意味著控制器 要進(jìn)行大量的計(jì)算。所以，如果相電流可以直接用圖 8 本文方法檢測(cè)的相電流 從圖 7 和圖 8 看出：母線(xiàn)電流的波動(dòng)比相電流 大，而且變化趨勢(shì)不完全一致。在導(dǎo)通區(qū)間的中間 時(shí)刻，母線(xiàn)電流有一個(gè)先上升后下降的過(guò)程，而相 電流則相反。這主要是濾波電容造成的影響，因此 直流母線(xiàn)電流不能完全反映相電流。從圖 8 可以看出：續(xù)流階段的電流衰減時(shí)間很 短，幾乎為零。因此，只有在負(fù)載較大的時(shí)候，才 能檢測(cè)到電流衰減過(guò)程。由于實(shí)驗(yàn)電機(jī)功率的限制，本實(shí)驗(yàn)沒(méi)有加較大負(fù)載。（下轉(zhuǎn)第 116 頁(yè)）- 108 -參考文獻(xiàn)in a pipej.powder tec

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