1、ldc s1 s3 s5uc d1 d3 d5cs4 s6 s2d4 d6 d2位置 2位置 1電流傳感器 直流無刷電機電流檢測技術的研究 陳玉榮，倪光正（浙江大學 電氣工程學院，浙江 杭州 310027）摘 要 近幾年，永磁直流無刷電機的應用越來越廣泛，出現了多種控制系統。為此，分析了已有的各種直流無刷電機電流檢測技術,提出了改進的方法，并通過輪轂式電機在電動汽車上進行實驗研究，驗證了 該方法的有效性。關鍵詞 動力機械工程；直流無刷電機；研究設計；電流檢測；電流傳感器中圖分類號tm33文獻標識碼a文章編號1003188x(2004)01010603的全部信息。傳統的方法是直接通過傳感器測量相

2、電流，為確保系統安全，還需要過載保護和直流短 路保護，這樣又需要用一個傳感器測量直流母線電 流。三相直流無刷電機用這種方法檢測，需要 4 個 電流傳感器，由此構成的系統控制性能好，可以進 行電流閉環控制，轉矩脈動較小。缺點是成本高、 結構復雜、裝置體積大，因此只用于對控制性能要 求很高的場合。一種解決措施是把電流傳感器集成 到功率開關中，分別控制各相電流。這種方法把電 流傳感器和電機分離，可以減小電機的體積。正常 導通的時候可以準確地檢測各相電流；換相的時候， 電流通過續流二極管導通。因此，這種方法的缺陷 是：只有功率開關合上的時才能檢測到電流，而檢 測不到通過續流二極管的電流。對轉矩脈動不太

3、敏感的控制系統，只需要控制 平均轉矩。這種情況下，可以通過直流側電流估算 出相電流，進而控制轉矩。此方法只需要一個電流 傳感器，圖 1 表示這種方法的基本結構。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。下面分別進行分析。1引言直流無刷電機（簡稱bldcm）采用電子換相代替機械換相，既具備交流電機的結構簡單、運行可靠、維護方便等一系列優點，又具備直流電機的運 行效率高、無勵磁損耗、調速方法簡單等優點，所 以在各個領域得到越來越多的應用（如醫療器械、 計算機硬件、各種機械的動力、各種儀表等）。其控 制系統也成了人們研究的熱點

4、，但直流無刷電機的 控制方法還不完善，現有的各種控制方法還存在一 定的缺陷，本文對電流檢測方面進行了研究。bldcm 的輸出轉矩和相電流成正比，因此轉矩 一般通過調節相電流來控制 。有效的電流檢測是控 制方法實現的前提，也是提高控制性能的基礎。本 文討論了一些現有的 bldcm 電流檢測方法，主要是 單電流傳感器方法。同時,針對不同的驅動方法提出 了改進單電流傳感器的電流檢測方法，并進行實驗 驗證。2電流檢測方法分析在轉矩脈動較敏感的系統中，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 有兩相導通的時候，如 s1、s6 閉合，電流回路如圖主電路 2 所示，電流傳感器

5、檢測到的值等于相電流。再根 據位置傳感器的信息，就可以確定哪兩相導通以及收稿日期 2003-06-23作者簡介 陳玉榮 （ 1979-）， 男，浙江江山人 ，浙江大學電氣工程學院碩士，主要從事電動汽車方面的研究工作。 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。換相的時候，如 s6 斷開，電流回路如圖 3 所示。 相電流通過 s1、a 相、b 相和 d3 形成回路，直流電 源和電容 c 形成另一個回路，電流回路如圖 3 所示。 這時，電流

6、不經過電流傳感器，因此檢測不到電流。 因此，這種方法的缺陷是只能在非換相期間檢測到 電流，續流期間檢測不到電流。(2) 電流傳感器在圖 1 的位置 2 的情況下，兩 相導通的時（如 s1 和 s6 合上的時），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 斷開的時候，電流回路如圖 3 所示，相電流通過 s1、a 相、b 相和 d3 形成回路，直流電源和電容 c 形 成另一個回路，通過傳感器的電流等于電容的充電 電流。電容電壓一個周期的變化是零，假設充電電 流和放電電流是常數，忽略濾波電容的電壓波動， 因為電感的作用，可以認為整個周期內通過電流傳 感器的電流是常數，則相電流

7、可以簡單地通過電流 傳感器和 pwm 占空比獲得，即相電流等于傳感器檢 測值和占空比的比值。量大，影響了控制器的響應速度，而且不能測得實際的相電流，測量精度較低。3改進的方法以上分析的方法都有一定的缺陷。本文針對輪轂式電機在電動汽車上的應用，為了能夠檢測到實際的相電流，提出改進電流檢測方法，其電路結構 如圖 4、圖 5 和圖 6 所示。本文采用 120導通方式， 分別考慮了全橋和半橋兩種驅動方式。3.1半橋驅動(1) 電流檢測方法如圖 4 所示。通過電流傳感 器的導線有 4 根，其中 1 根是直流母線，3 根是續 流二極管電流的通路。圖 4 半橋驅動電流檢測 導通期間，只有直流母線有電流通過，

8、電流大 小等于相電流，方向為正，能正確檢測到相電流。 續流階段，只有下半橋的功率器件被關斷，上 半橋仍然導通，續流電流通過一個上橋臂功率管和 一個上橋臂續流二極管形成續流回路，因此傳感器 檢測到的是通過續流二極管的電流，等于相電流。 (2) 有些功率管中集成了續流二極管，不能引 出通過續流二極管的電流。針對這種情況，本文采用圖 5 所示的電流檢測方法。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。實際上，電流傳感器測量的電流 有脈動，電流脈動和繞組電感、濾波電容、pwm 頻 率的平方成反比，和占空比也有關系，因此傳感器 測到的電流并不是常數；

9、換相時的相電流脈動也不 能忽略，尤其是相電流較大或繞組電感較大的時候， 這種情況下只能算出平均相電流。這種方法的缺陷是：計算平均電流的積分運算圖 5 半橋驅動電流檢測（集成續流二極管） - 107 -d1d2導通期間，相電流通過直流母線，即通過電流傳感器，其余 3 根通過電流傳感器的導線沒有電流。 續流期間，由于二級管 d1 的存在，電流不通過功率 管內部集成的續流二極管，而是通過附加的續流二 極管 d2、d3、d4 中的一個。這樣，電流傳感器就可 以檢測到續流期間的相電流。3.2全橋驅動 全橋驅動時，導通期間和續流期間相電流都通過直流母線導通，因此只需檢測直流母線電流。但 導通和續流期間的母

10、線電流方向相反，針對這個問 題，本文采用兩個反并聯二極管改變通過傳感器的 電流方向，使整個周期檢測到的電流方向都相同， 其電路結構如圖 6 所示。電流傳感器測量，直流無刷電機驅動系統一般采用雙邊 pwm。 本實驗是電動汽車研究的一部分，輪轂式電機為三相星型聯接且內部有集成的位置傳感器。根據 輪轂式電機的特點以及電動汽車控制系統的需要， 本實驗采用全橋控制電路，逆變器運行在 120雙 邊 pwm 模式。本實驗采用兩個永磁直流無刷輪轂式電動機， 其額定功率是 500w,額定轉速是 360r/min；采用 10 節封閉式鉛酸蓄電池，額定電壓 12v，額定能量 17ah；實驗車采用輕型的公園游樂車；控

11、制器核心 采用 ti 公司的 tms320f240 芯片，其 pwm 輸出控制 各個功率管的開關。由于這輛電動汽車采用后輪兩輪獨立驅動，因 此該系統需要兩個相同的電流檢測系統。實驗中只 設計其中的一個。占空比為 75%時，根據直流母線電流波形（從 圖 1 中的位置 2 測得）得到的相電流波形，如圖 7 所示。根據本位方法得到的相電流波形，如圖 8 所 示。圖 6 全橋驅動電流檢測 導通期間，電流通過 d2 流過電流傳感器；續流 期間，電流通過 d1 流過電流傳感器。這樣，在兩個 階段檢測到的電流方向一致，不需進行處理。圖 7 根據母線電流得到的相電流 4實驗三相直流無刷電機有星形和三角形兩種聯

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。逆變器可以運行 在 60、120、180等模式下。由于 60模式換 相較復雜，而 180模式轉矩脈動較大（從 1/2 最 大轉矩到最大轉矩），因此 120模式是最常用的。 這種模式下，電流任意時刻只在兩相中導通，通過 轉子位置信號可以知道是哪兩相導通以及電流的方 向；根據逆變器功率開關的驅動信號的波形，脈寬 調制技術（pwm）有單邊 pwm、雙邊 pwm、雙邊補償 pwm3 種驅動方式。3 種 pwm 方法的區別是關斷時刻 的模式不同，而開通時刻是一樣的。雙邊補償 pwm 和單邊 pwm 的開關損耗比雙邊 pwm 小

13、，但是必須根 據功率管的導通情況進行電流采樣，意味著控制器 要進行大量的計算。所以，如果相電流可以直接用圖 8 本文方法檢測的相電流 從圖 7 和圖 8 看出：母線電流的波動比相電流 大，而且變化趨勢不完全一致。在導通區間的中間 時刻，母線電流有一個先上升后下降的過程，而相 電流則相反。這主要是濾波電容造成的影響，因此 直流母線電流不能完全反映相電流。從圖 8 可以看出：續流階段的電流衰減時間很 短，幾乎為零。因此，只有在負載較大的時候，才 能檢測到電流衰減過程。由于實驗電機功率的限制，本實驗沒有加較大負載。（下轉第 116 頁）- 108 -參考文獻in a pipej.powder tec

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16、 fang, bai xue-yuan, li yong-jun, yi wei-ming(shandong university of technology, zibo 255012, china)abstract simplified flow equations were developed to descript granular and powder mixture flow in inclined tube according to reasonable assumptions. bulk densities and sliding friction coefficients of

17、 the mixture in the equations were measured. experiment shows these parameters of the mixture are linear with the theoretical volumetric coefficient of its ingredient, and the apparent values of those parameters in linear equations are larger than those of its ingredients.key words agricultural engi

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