直流无刷电机电流检测技术的研究

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1、Ldc S1 S3 S5Uc D1 D3 D5CS4 S6 S2D4 D6 D2位置 2位置 1电流传感器 直流无刷电机电流检测技术的研究 陈玉荣，倪光正（浙江大学 电气工程学院，浙江 杭州 310027）摘 要 近几年，永磁直流无刷电机的应用越来越广泛，出现了多种控制系统。为此，分析了已有的各种直流无刷电机电流检测技术,提出了改进的方法，并通过轮毂式电机在电动汽车上进行实验研究，验证了 该方法的有效性。关键词 动力机械工程；直流无刷电机；研究设计；电流检测；电流传感器中图分类号TM33文献标识码A文章编号1003188X(2004)01010603的全部信息。传统的方法是直接通过传感器测量相

2、电流，为确保系统安全，还需要过载保护和直流短 路保护，这样又需要用一个传感器测量直流母线电 流。三相直流无刷电机用这种方法检测，需要 4 个 电流传感器，由此构成的系统控制性能好，可以进 行电流闭环控制，转矩脉动较小。缺点是成本高、 结构复杂、装置体积大，因此只用于对控制性能要 求很高的场合。一种解决措施是把电流传感器集成 到功率开关中，分别控制各相电流。这种方法把电 流传感器和电机分离，可以减小电机的体积。正常 导通的时候可以准确地检测各相电流；换相的时候， 电流通过续流二极管导通。因此，这种方法的缺陷 是：只有功率开关合上的时才能检测到电流，而检 测不到通过续流二极管的电流。对转矩脉动不太

3、敏感的控制系统，只需要控制 平均转矩。这种情况下，可以通过直流侧电流估算 出相电流，进而控制转矩。此方法只需要一个电流 传感器，图 1 表示这种方法的基本结构。用这种方 法电流传感器可以放在位置 1，即滤波电容和逆变 器之间；也可以放在位位置 2，即直流电源和滤波 电容之间。下面分别进行分析。1引言直流无刷电机（简称BLDCM）采用电子换相代替机械换相，既具备交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电机的运 行效率高、无励磁损耗、调速方法简单等优点，所 以在各个领域得到越来越多的应用（如医疗器械、 计算机硬件、各种机械的动力、各种仪表等）。其控 制系统也成了人们研究的热点

4、，但直流无刷电机的 控制方法还不完善，现有的各种控制方法还存在一 定的缺陷，本文对电流检测方面进行了研究。BLDCM 的输出转矩和相电流成正比，因此转矩 一般通过调节相电流来控制 。有效的电流检测是控 制方法实现的前提，也是提高控制性能的基础。本 文讨论了一些现有的 BLDCM 电流检测方法，主要是 单电流传感器方法。同时,针对不同的驱动方法提出 了改进单电流传感器的电流检测方法，并进行实验 验证。2电流检测方法分析在转矩脉动较敏感的系统中，通常需要相电流图 1(1) 电流传感器在图 1 的位置 1 的情况下，只 有两相导通的时候，如 S1、S6 闭合，电流回路如图主电路 2 所示，电流传感器

5、检测到的值等于相电流。再根 据位置传感器的信息，就可以确定哪两相导通以及收稿日期 2003-06-23作者简介 陈玉荣 （ 1979-）， 男，浙江江山人 ，浙江大学电气工程学院硕士，主要从事电动汽车方面的研究工作。 LS1 D1 S3 D3 S5 D5VCC CS4D4 S6 D6 S2 D2A BLS1 D1 S3 D3 S5 D5 VCC CS4 D4 S6 D6 S2 D2BD1D2D3D4电流的方向、大小。换相的时候，如 S6 断开，电流回路如图 3 所示。 相电流通过 S1、A 相、B 相和 D3 形成回路，直流电 源和电容 C 形成另一个回路，电流回路如图 3 所示。 这时，电流

6、不经过电流传感器，因此检测不到电流。 因此，这种方法的缺陷是只能在非换相期间检测到 电流，续流期间检测不到电流。(2) 电流传感器在图 1 的位置 2 的情况下，两 相导通的时（如 S1 和 S6 合上的时），电流回路如图2 所示，相电流等于直流电源和电容输出电流之和。 S6 断开的时候，电流回路如图 3 所示，相电流通过 S1、A 相、B 相和 D3 形成回路，直流电源和电容 C 形 成另一个回路，通过传感器的电流等于电容的充电 电流。电容电压一个周期的变化是零，假设充电电 流和放电电流是常数，忽略滤波电容的电压波动， 因为电感的作用，可以认为整个周期内通过电流传 感器的电流是常数，则相电流

7、可以简单地通过电流 传感器和 PWM 占空比获得，即相电流等于传感器检 测值和占空比的比值。量大，影响了控制器的响应速度，而且不能测得实际的相电流，测量精度较低。3改进的方法以上分析的方法都有一定的缺陷。本文针对轮毂式电机在电动汽车上的应用，为了能够检测到实际的相电流，提出改进电流检测方法，其电路结构 如图 4、图 5 和图 6 所示。本文采用 120导通方式， 分别考虑了全桥和半桥两种驱动方式。3.1半桥驱动(1) 电流检测方法如图 4 所示。通过电流传感 器的导线有 4 根，其中 1 根是直流母线，3 根是续 流二极管电流的通路。图 4 半桥驱动电流检测 导通期间，只有直流母线有电流通过，

8、电流大 小等于相电流，方向为正，能正确检测到相电流。 续流阶段，只有下半桥的功率器件被关断，上 半桥仍然导通，续流电流通过一个上桥臂功率管和 一个上桥臂续流二极管形成续流回路，因此传感器 检测到的是通过续流二极管的电流，等于相电流。 (2) 有些功率管中集成了续流二极管，不能引 出通过续流二极管的电流。针对这种情况，本文采用图 5 所示的电流检测方法。图 2 电流回路 1图 3 电流回路 2以上算法是在理想情况下的，只有两相通电， 不通相电流为零。实际上，电流传感器测量的电流 有脉动，电流脉动和绕组电感、滤波电容、PWM 频 率的平方成反比，和占空比也有关系，因此传感器 测到的电流并不是常数；

9、换相时的相电流脉动也不 能忽略，尤其是相电流较大或绕组电感较大的时候， 这种情况下只能算出平均相电流。这种方法的缺陷是：计算平均电流的积分运算图 5 半桥驱动电流检测（集成续流二极管） - 107 -D1D2导通期间，相电流通过直流母线，即通过电流传感器，其余 3 根通过电流传感器的导线没有电流。 续流期间，由于二级管 D1 的存在，电流不通过功率 管内部集成的续流二极管，而是通过附加的续流二 极管 D2、D3、D4 中的一个。这样，电流传感器就可 以检测到续流期间的相电流。3.2全桥驱动 全桥驱动时，导通期间和续流期间相电流都通过直流母线导通，因此只需检测直流母线电流。但 导通和续流期间的母

10、线电流方向相反，针对这个问 题，本文采用两个反并联二极管改变通过传感器的 电流方向，使整个周期检测到的电流方向都相同， 其电路结构如图 6 所示。电流传感器测量，直流无刷电机驱动系统一般采用双边 PWM。 本实验是电动汽车研究的一部分，轮毂式电机为三相星型联接且内部有集成的位置传感器。根据 轮毂式电机的特点以及电动汽车控制系统的需要， 本实验采用全桥控制电路，逆变器运行在 120双 边 PWM 模式。本实验采用两个永磁直流无刷轮毂式电动机， 其额定功率是 500W,额定转速是 360r/min；采用 10 节封闭式铅酸蓄电池，额定电压 12V，额定能量 17Ah；实验车采用轻型的公园游乐车；控

11、制器核心 采用 TI 公司的 TMS320F240 芯片，其 PWM 输出控制 各个功率管的开关。由于这辆电动汽车采用后轮两轮独立驱动，因 此该系统需要两个相同的电流检测系统。实验中只 设计其中的一个。占空比为 75%时，根据直流母线电流波形（从 图 1 中的位置 2 测得）得到的相电流波形，如图 7 所示。根据本位方法得到的相电流波形，如图 8 所 示。图 6 全桥驱动电流检测 导通期间，电流通过 D2 流过电流传感器；续流 期间，电流通过 D1 流过电流传感器。这样，在两个 阶段检测到的电流方向一致，不需进行处理。图 7 根据母线电流得到的相电流 4实验三相直流无刷电机有星形和三角形两种联

12、接方式，有半桥、全桥两种控制电路，全桥控制电路又有两两通电方式和三三通电方式。逆变器可以运行 在 60、120、180等模式下。由于 60模式换 相较复杂，而 180模式转矩脉动较大（从 1/2 最 大转矩到最大转矩），因此 120模式是最常用的。 这种模式下，电流任意时刻只在两相中导通，通过 转子位置信号可以知道是哪两相导通以及电流的方 向；根据逆变器功率开关的驱动信号的波形，脉宽 调制技术（PWM）有单边 PWM、双边 PWM、双边补偿 PWM3 种驱动方式。3 种 PWM 方法的区别是关断时刻 的模式不同，而开通时刻是一样的。双边补偿 PWM 和单边 PWM 的开关损耗比双边 PWM 小

13、，但是必须根 据功率管的导通情况进行电流采样，意味着控制器 要进行大量的计算。所以，如果相电流可以直接用图 8 本文方法检测的相电流 从图 7 和图 8 看出：母线电流的波动比相电流 大，而且变化趋势不完全一致。在导通区间的中间 时刻，母线电流有一个先上升后下降的过程，而相 电流则相反。这主要是滤波电容造成的影响，因此 直流母线电流不能完全反映相电流。从图 8 可以看出：续流阶段的电流衰减时间很 短，几乎为零。因此，只有在负载较大的时候，才 能检测到电流衰减过程。由于实验电机功率的限制，本实验没有加较大负载。（下转第 116 页）- 108 -参考文献in a pipeJ.Powder tec

14、hnology,1999,104:258-268.M. Massoudi,Tran X. Phuoc.The effect of slip boun - dary condition on the flow of granular materials:ac ontinuum approachJ.Internation al journal of No -n-linear Mechanics, 2000,35:745-761.Adrian Daerr.Dynamical equlibrium of avalancheso- n arough planeJ.Physics of fluids,20

15、01,13(7):2115-2124.41王光谦 , 倪晋仁 . 颗粒流研究评述 J. 力学与实 践,1992,14(1):7-19. 张洲波，谢洪勇，胡大鹏.颗粒在斜槽中流动的实 验研究J.中国粉体技术,2001,7(6):1-4.M. Massoudi, K.R. Rajagopal,T.X. Phuoc.On the fu - lly development flow of a dense particul arte mixture253Flow Equation and Parameter of Granular and Powder Mixturein Inclined TubeHE

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

18、neering; granular powder mixture; experimental analysis; flow equation; bulkdensity; sliding friction coefficient(上接第 108 页)Power Electronics,1991,(6):118-126.Frede Blaabjerg,John K Pedersen.Single Cur- rent Sensor Technique in the DC Link of Three- phase PWM-VS Inverters:A Review and a Nov el Solut

19、i onJ.IEEE Transactions on Industry Applications,1997,33(5):1241-1253.谭 微, 王 勇, 汪信尧, 等.单个电流传感器实现 的无刷直流电动机相电流检测 J. 电机与控制学 报,1998,12(4):237-240. 张争争,任永德,谢宝昌.基于 DSP 的无刷直流电动 机控制系统J.微特电机,2001,(2):34-36.张 琛 .直流无刷电动机原理及应用 M. 北京 : 机 械工业出版社,1998.5结论直流无刷电机有多种电流检测方法，应该根据2实际需要选择合适的检测方法。半桥驱动下，传统的单电流传感器方法不能检测到续 流

20、期间的相电 流，本文解决了这个问题，而且检测到的电流不需 进行换向。对于全桥驱动，本文的方法也解决了电 流方向问题。通过电动汽车上的直流无刷轮毂式电 机的电流检测的实验研究，验证了本文提出的方法 的有效性。34参考文献1 Thomas M J.Integrated Current Regulation fora Brushless ECM DriveJ.IEEE Transaction on5Research on Current Measurement Technique of Brushless DC MotorCHEN Yu -rong, NI Guang-zheng(Zhejiang

21、University, Hangzhou 310027, China)Abstract Recently, permanent magnet brushless DC motors are used more and more widely. According to it, there are various control systems. Therefore, analysis the methods of current measurement of the brushless DC motor in existence and presents improved approaches. The experiment of in-wheel motor in electric vehicle verified the validity of the approaches.Key words power machinery engineering; brushless DC motor; research design; current measurement ;current sensor- 116 -