電動汽車用電機控制器三相電流不平衡檢測電路設計

趙圣寶，吳成加

（安徽安凱汽車股份有限公司，合肥230051）

電動汽車用電機控制器三相電流不平衡檢測電路設計

趙圣寶，吳成加

（安徽安凱汽車股份有限公司，合肥230051）

為提高電動汽車電機控制器的可靠性和穩(wěn)定性，設計一種三相電流不平衡檢測電路，包括電流傳感器選型及電路、三相濾波電路、三相電流反相求和電路，上/下限比較電路及發(fā)光二極管報警電路。通過仿真試驗，驗證該檢測電路是正確和可行的。

電動汽車；電機控制器；三相電流不平衡；電路；仿真

電機控制器是現(xiàn)代電機調(diào)速控制和節(jié)能產(chǎn)品中不可或缺的重要設備之一。近幾年來，隨著電動汽車的發(fā)展，電機及電機控制器在汽車中的應用越來越廣［1-2］。如果電機三相電流不平衡，會帶來降低電機輸出功率、降低功率因數(shù)、增加諧波等不良影響，尤其是在電動汽車上應用的電機控制器一旦發(fā)生故障，將直接威脅到乘客的人身及財產(chǎn)安全。為保證電動汽車用電機控制器運轉可靠、穩(wěn)定，軟件設計中尤其是空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）技術的實現(xiàn)要用到三相電流反饋信號，因此，正確可靠地檢測電機控制器輸出電流顯得尤為重要。本文采用電流傳感器對三相電流進行檢測，重點設計了三相不平衡電路，并對該設計做了仿真試驗［3-4］，驗證了本設計是正確和可行的。

1　電路原理及電路設計

本三相電流不平衡檢測電路由傳感器分壓電路、三相濾波電路、三相電流反相求和電路、上/下限比較電路及發(fā)光二極管指示電路組成，其工作原理見圖1。

三相電流經(jīng)電流傳感器采樣分壓、濾波求和后與上/下限比較電路的基準電壓比較。當三相電流之和超過設計上/下限值時，發(fā)光二極管電路發(fā)光示警。

電動大客車用電機控制器峰值功率常在200 kW左右，因此，本設計選用型號HAT500-S的LEM電流傳感器，電流最大測量范圍為±1 500 A。被測電流沿正確方向從傳感器中流過時，輸出端能測到與流過電流傳感器的電流同相位的電壓信號。該型號電流傳感器采用±15 V電源供電，傳感器流過電流為±500 A時，對應輸出端電壓為±4 V，即傳感器線性增益為4 000 mV/500 A=8 mV/A。該型號電流傳感器要求負載電阻大于10 kΩ。本設計中負載電阻選為14 kΩ，即圖2中的R1&R4，R2&R5，R3&R6，經(jīng)分壓后將信號傳至后級濾波電路［5-8］，圖2中的U、V、W分別接至三個電流傳感器的3號引腳。

三相濾波電路設計成RC低通濾波。本實例中每一相濾波器的R=2.8 kΩ、C=100 pF，則截至頻率：

為保證電流傳感器可靠工作，濾波器輸出接電壓跟隨器，起隔離緩沖作用。在三相電流反相求和電路設計中，三相電流對應的三相電壓和A0計算公式如下：

本實例中：

正常情況下，W0+V0+U0=0，即A0=0，比較器輸出為高電平，發(fā)光二極管不亮；當三相電流和超過上限值使得A0大于上限基準電壓u時，比較器U2A輸出低電平，發(fā)光二極管被點亮；當三相電流和超過下限值使得A0小于下限基準電壓-v時，比較器U2B輸出低電平，發(fā)光二極管被點亮。本設計中所述的三相電流不平衡是指三相電流和超過一定限值，調(diào)整反相放大求和電路的增益即調(diào)整電阻R13，或者調(diào)整電阻R10、R11、R12，均可將三相電流和限定在所要求的范圍內(nèi)，以確保電機控制器可靠穩(wěn)定工作。

上/下限基準電壓電路設計如圖3所示。上限基準電壓u=2.5 V，由431穩(wěn)壓得到；下限基準電壓v=-2.5 V，由反相比例放大器產(chǎn)生。比較器U2A和U2B的輸出接到發(fā)光二極管D1的陰極。當三相電流和超出限定范圍時，發(fā)光二極管被點亮。

2　仿真試驗

基于NI電路仿真軟件Circuit Design Suite11搭建本設計電路的仿真模型，用示波器觀測各個信號。示波器CH1通道為U相電流傳感器輸出端的電壓波形；CH2通道為V相電流傳感器輸出端的電壓波形；CH3通道為W相電流傳感器輸出端的電壓波形；CH4通道為比較器U2A的輸出端1腳和U2B的輸出端7腳信號波形。

圖4是三相電流和等于零即三相電流平衡條件下，觀測到的三路電流傳感器輸出端電壓波形和比較器輸出端波形。由于三相電流平衡，故CH4通道波形為高電平，此時設計電路中發(fā)光二極管D1不被點亮。

圖5是三相電流中與CH1通道連接的U相電流偏小，導致三相電流和在一個周期中某個時間段內(nèi)超出限值時各個信號波形；圖6是三相電流中與CH1通道連接的U相電流偏大導致三相電流和在一個周期中某個時間段內(nèi)超出限值時各個信號波形。兩種情況下，CH4通道波形均出現(xiàn)高、低電平的變化。高電平說明三相電流和在限值內(nèi)；低電平說明三相電流和已超出限值，即認為三相和不平衡，此時發(fā)光二極管被點亮示警。

仿真試驗結果驗證了本設計是正確可行的。當發(fā)生三相電流和超限即發(fā)生三相電流不平衡時，設計人員可方便地獲知該故障，以便采取措施，保證人員安全，防止控制器本身及其它設備的損壞。

3　結束語

為確保電動汽車電機控制器使用過程中的安全性和可靠性，本文通過設計一種三相電流不平衡檢測電路，對其中的電流傳感器選型及電路、三相濾波電路、三相電流反相求和電路、上/下限比較電路及發(fā)光二極管報警電路做了具體的設計，并且通過仿真試驗，驗證了該檢測電路的可行性，提高了電動汽車用電機控制器的使用安全性。

［1］陳宗璋，吳振軍.電動汽車現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.電動汽車技術，2008，20（3）：2-3.

［2］陳一平.車載智能快速充電機的設計與研究［D］.天津：天津大學，2008.

［3］段志剛.三相三線輸入缺相或不平衡的檢測方法以及電路：中國，CN101685120B［P］.2011-11-02.

［4］邢起義.一種用于變頻器的三相電流檢測電路：中國，102981042A［P］.2013-03-20.

［5］邱關源.電路［M］.北京：高等教育出版社，1999.

［6］陳堅.電力電子學-電力電子變換和控制技術［M］.北京：高等教育出版社，2002.

［7］黃立培.變頻器應用技術及電動機調(diào)速［M］.北京：人民郵電出版社，2001.

［8］洪乃剛.電力電子和電力拖動控制系統(tǒng)的MATLAB仿真［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.

修改稿日期：2015-03-05

Circuit Design on Three-phase Current Unbalance of Electric Vehicle M otor Controller

Zhao Shengbao，Wu Chengjia
（Anhui Ankai Automobile Co.，Ltd，Hefei 230051，China）

In order to improve the reliability and stability of the electric vehicle motor controller，the authors design a type of three-phase current unbalance circuit，including the selection of the current sensor，the circuit of three-phase filter，the inverting summing circuit of three-phase current，the comparator circuit of upper and lower limits and the light-emittingdiode warning.Through simulation experiments，the results verify the detection circuit is correct and feasible.

electric vehicle；motor controller；three-phase current unbalance；circuit；simulation

U463.61；TM 571

B

1006-3331（2015）03-0056-03

國家科技支撐計劃課題（No.2014BAG06B00）。

趙圣寶（1984-），男，助理工程師；研究方向：電力電子與電力傳動。