摘要：本文通过两种电流检测方法，研究了电动汽车用永磁无刷直流电机电流检测系统，并进行对比分析优缺点。
关键词：采样法；闭环控制
1.电流检测研究思路
由永磁无刷直流电机基本公式可以知道电磁转矩与相电流成正比，只需控制无刷直流电机的相电流，就可以控制无刷直流电机的转矩。因而对转矩的闭环控制实际上就是对电机相电流的闭环控制。另外，不但需要考虑电池的瞬时最大放电电流，电池输出功率，还要考虑逆变器功率开关器件的最大允许电流。
2.电流检测方法
1）两相电流采样法，要对电流进行闭环控制就必须对电流进行采样。在电动状态时，由于无刷直流电机为两相导通方式，任意时刻只有两相导通，导通的两相电流大小相等，方向相反，因而只需要检测一相电流就可以知道另一相电流；由导通的逻辑可以知道，只需采样电机两相电流，就可以对电机的三相电流进行控制，这是因为第三相的电流可以由被采样的两相电流得到。由发电回馈制动原理可以知道，当无刷直流电机工作在发电回馈状态时，仍然满足任意时刻只有两相导通，另一相悬空，且导通的两相电流大小相等，方向相反的关系。因此，同样可以只采样两相电流就可以满足对电机相电流进行控制的要求。为了满足电动汽车电机控制系统的要求，除了要对电机相电流进行控制，还需要知道流过逆变器开关器件的瞬时电流的大小，防止逆变器过流；知道直流母线电流的大小，并将直流母线电流控制在蓄电池允许的范围之内。逆变器器件上流过的电流是和电机相电流一致的，逆变器上瞬时电流最大的时刻出现在对电流导通相电流进行控制的时间段。因而采用这种检测方式可以很方便的对逆变器瞬时峰值电流进行限制。电机驱动系统对直流母线电流的大小，要求没有电机相电流高，只需要控制直流母线电流的平均值就可以满足要求。而直流母线电流可以通过功率守恒来求得，这是因为电动机的输入功率等于其电磁功率与铜耗之和，也就是： P1=Pcu+Pem 其中P1 表示蓄电池输入电机的功率也就是永磁无刷直流电机的输入功率，Pem表示电机的电磁功率，Pcu表示电机铜耗。如果忽略电机铜耗Pcu，则有UdcI =EIa= KenIa 其中 Udc为蓄电池电压，上式可以粗略地计算得到对应的直流母线电流，从而可以对直流母线电流进行监控。
2）直流母线电流采样法，如果采样两相电流，则需要使用两个电流传感器；另一方面采样两相电流并不能直接反映蓄电池放电电流的大小。可以直接采样直流母线电流，直接对直流母线电流进行控制，或者通过直流母线电流得到电机相电流再进行控制。对于电动汽车电机控制系统，直流母线电流的大小直接关系到电池的输出功率以及放电电流的大小。但检测直流母线电流并不能直接反映与转矩成正比的相电流的大小，更不能反映功率器件上流过的瞬时电流的大小。因而，有必要对直流母线电流与电机相电流的关系进行讨论。公式虽然反映了直流母线电流以及电机相电流之间的关系，但这种关系是平均值之间的关系，而且不够精确，用这样的关系来计算得到的电机相电流并不是准确的相电流瞬时值。因而，如果用这种方法进行计算，电动汽车电机控制系统的动态性能将受到很大的影响，而且，也不能有效地对逆变器功率器件进行保护。为此，我们必须寻找其它地途径，来获得这两个电流之间的关系。无刷直流电机的电流控制一般是通过 PWM 斩波控制来实现的，PWM 的斩波方式有很多种。在电动状态下，可以采用的方法有：对导通相的上桥臂进行斩波，下桥臂恒通的控制方式；对导通相下桥臂进行斩波控制，上桥臂恒通的控制方式；对上下桥臂同时斩波的控制方式；还有上下桥臂轮流斩波的控制方式。这些斩波方式各有优缺点，但不在本文的讨论范围内，本文主要讨论第一种控制方式下的电流采样进行讨论。在发电状态下，则采用前面所说的对下桥臂进行斩波的控制方式来实现。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆先分析电动状态下，对开关管 Q1进行 PWM 斩波控制，Q4 恒通的情况。当 Q1导通时，电流流通路径为电源正极—>Q1—>A 相—>B 相—>Q4—>直流母线—>电源负极－>电源正极；当 Q1 截至时，电流流通路径为 A 相－>B 相－>Q4－>D2－>A 相。也就是说，当 PWM 为高时，相电流要经过直流母线；当 PWM为低时，相电流不经过直流母线。因此，直接采样和控制直流母线电流平均值，并不能准确控制相电流的大小，也不能准确地控制电机输出转矩的大小。 假设 PWM 的频率足够高，电机相电感足够大，这样电机相电流将为连续波形，且电流变化的幅值不大。T1、T2、T3 为三个 PWM 周期，它们的占空比分别为 d1、d2、d3，且 d3>d1>d2。在 PWM 导通期间，相电流与直流母线上的电流一致，在 PWM 截至期间，直流母线上的电流为零，而相电流继续通过 Q4、D2 续流 。由于在一个 PWM 区间，电流变化的幅值不大，假设相电流为aI ，则直流母线电流平均值为Ia*d。当占空比 d 不同时，即使相电流相同，直流母线电流的平均值也不相同。直流母线电流平均值在三个 PWM 周期中分别为Ia *d1、Ia *d2、I a*d3，在三个不同的PWM 周期中，直流母线的电流平均值不相同，而相电流平均值相同。因此，直流母线电流与电机相电流并不能等价控制，如果是仅仅对直流母线电流进行平均值采样并进行控制，则不能保证相电流恒定，也就不能保证恒转矩控制，从而影响到电机控制系统的性能；而如果仅仅对电机相电流进行控制就可能不知道直流电源输出电流或者输入电流的大小，从而无法对该电流进行控制。
3．电动汽车用永磁无刷直流电机电流检测方法对比
可以有两种方法解决上面的问题。第一种方法是，根据检测到的直流母线平均电流以及占空比计算得到相电流。这种方法的局限性在于，在动态过程中，占空比的变化幅度很大，而经过滤波的直流母线电流的平均值是连续变化的，因而通过这种方法计算得到的相电流仍然不是很准确，特别是对动态性能要求较高的场合，这种方法就不是很适应。这另一种方法是在 PWM 导通期间的中点时刻，采样直流母线电流，该点的电流也就等于导通相的电流的平均值。采用这种方法要求电流采样的时刻很准确，但要求 PWM 导通时间不能太短，采样芯片的采样速度必须足够快，而且电流采样通道干扰必须很小。发电状态下的电流分析。由能量回馈制动原理可以知道，当对 Q2进行斩波控制，对 Q2导通时，电流不经过直流母线，直流母线电流为零；当 Q2截止时，电流回馈到电源，直流母线电流等于相电流。因而同样不能直接对直流母线电流进行控制。对应于电动运行状态，发电能量回馈制动运行的第一种方法可以采用采样直流母线电流平均值再计算相电流的方法对相电流进行控制；第二种方法不是在 Q2导通的中点时刻采样母线电流，因为此时直流母线电流为零，而是在 Q2关断的中点时刻采样直流母线，此时的母线电流和导通相相电流相等。
4.综上采用交流侧采样两相电流的方法可以满足电动汽车电机控制系统的要求，具有很高的可靠性，这也是设计的电动汽车电机控制系统所采用的电流采样方式。采样直流母线电流的平均值再通过计算得到电机相电流的采样方法，影响了电机控制系统的动态性能，只适合对动态性能要求较低的场合。通过采样开关器件导通（或关断）中点时刻直流母线电流的方法，可以获得和交流侧采用同样的效果。但是，采用这种方法对控制芯片以及采样芯片的速度要求很高，对采样放大电路设计的要求也很高。
参考文献：
[1] 杨旭，王兆安. 一种新的准固定频率滞环 PWM 电流控制方法. 电工技术学报. 2003 年6月.第18卷第3期.
[2] 马立华，陈伯时.电流滞环跟踪控制分析.上海轻工业高等专科学校学报.1997年3月. 第18卷第 1期.
论文作者:赵云龙
论文发表刊物:《电力设备》2017年第5期
论文发表时间:2017/5/26
标签：电流论文; 母线论文; 相电流论文; 电机论文; 平均值论文; 导通论文; 直流电机论文; 《电力设备》2017年第5期论文;