電機(jī)電流平衡檢測(cè)簡(jiǎn)法

魏碧生

摘 要：介紹了一種用MOSFET導(dǎo)通電阻代替電流傳感器檢測(cè)功率變換器主開關(guān)電流的技術(shù)，該技術(shù)根據(jù)流過(guò)MOSFET開關(guān)管的電流大小與其通態(tài)壓降成正比的原理，用檢測(cè)通態(tài)管壓降的方法檢測(cè)通態(tài)電流，分析了開關(guān)管通態(tài)壓降的表現(xiàn)形式及電流波形重構(gòu)原理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該技術(shù)具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的特點(diǎn)，值得推廣。

關(guān)鍵詞：電流檢測(cè);無(wú)刷電機(jī);電流波形重構(gòu);MOSFET

在功率變換器中，經(jīng)常要對(duì)流過(guò)主功率開關(guān)器件的電流進(jìn)行檢測(cè)，其目的主要有兩個(gè)：第一，對(duì)功率變換器進(jìn)行過(guò)流保護(hù);第二，作為功率變換器控制器的電流反饋檢測(cè)量。通常的做法是在功率變換器的直流母線上安裝電流霍爾或電流互感器以提供電流反饋檢測(cè)量。由于流過(guò)主開關(guān)器件的電流通常都較大，所采用的霍爾器件或電流互感器的額定參數(shù)也必須很大，不僅成本高、體積大、安裝不方便，且不便于實(shí)現(xiàn)功率變換器的高功率密度。文中介紹一種用半導(dǎo)體器件構(gòu)成的電流檢測(cè)電路，可以直接布置在功率變換器的控制器的印制板上，不僅成本低廉，體積小，安裝方便，而且性能良好，還可以同功率變換器固化在一起形成專用集成電路（ASIC）。

1 MOSFET電流檢測(cè)原理

MOSFET的通態(tài)電阻具有正的溫度系數(shù)，有利于采樣多MOSFET管并聯(lián)。多只元件并聯(lián)工作時(shí)，，MOSFET間可以自動(dòng)均流。當(dāng)MOSFET功率開關(guān)流過(guò)通態(tài)電流時(shí)，由于通態(tài)導(dǎo)通電阻的存在，在其導(dǎo)通溝道上有一定的壓降，又兇器件的導(dǎo)通溝道電阻基本穩(wěn)定，該壓降與器件的通態(tài)電流成正比。所以，檢測(cè)出主開關(guān)器件的通態(tài)壓降¨以1也就足檢測(cè)流過(guò)器件的電流大小。傳統(tǒng)的方法是直接通過(guò)傳感器測(cè)量相電流，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。

2 無(wú)刷直流電機(jī)電流檢測(cè)方法

2.1 無(wú)刷直流電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路的基本結(jié)構(gòu)

功率驅(qū)動(dòng)電路的基本結(jié)構(gòu)，主要由MOSFET組成的三相逆變橋，直流母線兩端接蓄電池的正負(fù)極B+、B一，C，為4700pLF的電解電容，能吸收電感中儲(chǔ)存能量，C：為高頻無(wú)感電容，可對(duì)直流電壓進(jìn)行箝位，以抑制由于直流母線分布電感引起的器件兩端的尖峰電壓。圖中的U、V、w分別與三相無(wú)刷直流電機(jī)的定子繞組相連接。由于電機(jī)功率比較大，所以每一個(gè)橋臂都是多個(gè)MOSFET管并聯(lián)∞“J。

2.2 無(wú)刷直流電機(jī)電流檢測(cè)電路的實(shí)現(xiàn)

電路工作原理：LO為下橋MOSFET驅(qū)動(dòng)信號(hào)，當(dāng)LO為0V時(shí)，下橋MOSFET管Q為關(guān)閉狀態(tài)，D2右端V1信號(hào)點(diǎn)為二極管的管壓降0.5V，此時(shí)，U1的正向輸入端為0.5V，負(fù)向輸入端電壓為10V，此時(shí)u1輸出為低電平，同時(shí)，u2輸出也為低電平，LM339是集電極開路輸出方式，同樣存在導(dǎo)通壓降V2的問(wèn)題，故將信號(hào)V01減去信號(hào)V02，消除LM339因?qū)▔航狄鸬臋z測(cè)誤差，起到消除輸入誤差的作用。

當(dāng)LO為12V時(shí)，下橋MOSFET管Q為導(dǎo)通狀態(tài)，D2右端n點(diǎn)信號(hào)為12V，此時(shí)，U1的正向輸入端為12V，負(fù)向輸入端電壓為10V。U1輸出為高阻態(tài)，VOI的電壓為Q內(nèi)阻上的壓降加上快恢復(fù)二極管D1的壓降，同時(shí)，u2輸出也同樣為高阻態(tài)，V02的電壓為二極管D3的壓降。通過(guò)運(yùn)放TLC2274組成的減法電路將信號(hào)V01減去信號(hào)V02，可得到Q內(nèi)阻上的壓降。

開關(guān)管管壓降和電流檢測(cè)電路相關(guān)點(diǎn)的波形分析采用120。兩兩導(dǎo)通方式中，在電動(dòng)或制動(dòng)狀態(tài)，總有一個(gè)下橋臂處于工作狀態(tài)，故3個(gè)下橋臂的導(dǎo)通壓降之和約等于電機(jī)繞組的平均電流。

T1和T3是導(dǎo)通時(shí)刻，T2是MOSFET關(guān)斷時(shí)刻，DVl是導(dǎo)通時(shí)D3的管壓降，V2為L(zhǎng)M339的導(dǎo)通壓降。在電路中，u3起到是過(guò)流保護(hù)的功能，當(dāng)V01的電壓大于1.5V時(shí)，U3的輸出為低電平，為過(guò)流信號(hào)。

例如，在采用6個(gè)IRFB4310并聯(lián)使用的無(wú)刷直流電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路中采用以上電流檢測(cè)方法，該電流檢測(cè)電路的檢測(cè)誤差主要受并聯(lián)MOS—FET管動(dòng)態(tài)均流和工作溫度的影響。MOSFET的通態(tài)電阻具有正的溫度系數(shù)，有利于動(dòng)態(tài)均流，但隨溫度的升高，其導(dǎo)通內(nèi)阻R。也升高，會(huì)造成電流檢測(cè)誤差。解決的方案：在電流檢測(cè)中，根據(jù)溫度信號(hào)，對(duì)導(dǎo)通內(nèi)阻R。進(jìn)行修正，提高檢測(cè)精度。在工作環(huán)境溫度變化較大的情況下，根據(jù)MOSFET的通態(tài)電阻和溫度的曲線關(guān)系，修正導(dǎo)通內(nèi)阻R?？梢韵郎囟葘?duì)檢測(cè)精度的影響。

2.3 無(wú)刷直流電機(jī)電流檢測(cè)簡(jiǎn)法

三相異步電機(jī)運(yùn)行時(shí)，任意兩相問(wèn)的電流差值不應(yīng)大于額定電流的10%。否則，說(shuō)明電機(jī)有故障，必須立即切斷電源，查明原因后才能再投入運(yùn)行。對(duì)容量較大的電機(jī)都裝設(shè)電流表監(jiān)視運(yùn)行電流，而容量較小的電機(jī)較少裝設(shè)電流表，須開機(jī)后用鉗形電流表測(cè)量電機(jī)的線電流，但大多數(shù)電工測(cè)量電機(jī)三相電流是否平衡的方法，都是分三次分別測(cè)出A、曰、G三相各相的電流，然后進(jìn)行比較，這種逐相測(cè)量的方法，不但欠精確，而且費(fèi)事費(fèi)工，可采取以下簡(jiǎn)法測(cè)量。

將三相異步電機(jī)的三根電源線同時(shí)夾在鉗形電流表的鉗口里，如果電流表顯示有數(shù)值，則說(shuō)明電機(jī)三相電流不平衡;如果電流表沒(méi)有顯示電流數(shù)值，則說(shuō)明電機(jī)三相電流平衡，此法不但測(cè)量精度高，而且簡(jiǎn)便。

電機(jī)三相電流不平衡，一般情況下，不是由三相電源引起的，而是電機(jī)有故障。嚴(yán)重的三相電流不平衡，大多是由一相保險(xiǎn)絲熔斷造成或電機(jī)單相運(yùn)行所致。電機(jī)三相電流不平衡的常見原因與處理方法：1）電壓不平衡，測(cè)量電源線電壓，一般電壓波動(dòng)不得超過(guò)一5%～+10%，三相電壓不平衡不得超過(guò)5%。若三相電壓不平衡超過(guò)5%，就應(yīng)設(shè)法消除不平衡;2）定子繞組線圈短路，檢查電機(jī)有無(wú)局部過(guò)熱現(xiàn)象，如有極有可能是繞組線圈短路;3）繞組首尾端接錯(cuò)，檢查并糾正;4）定子繞組匝數(shù)不相等，可用萬(wàn)用表或電橋測(cè)量繞組電阻，根據(jù)電阻大小檢查匝數(shù)是否有錯(cuò)，對(duì)有錯(cuò)誤的重新繞制定子繞組;5）定子繞組部分線圈接線錯(cuò)誤，打開電機(jī)，檢查繞組接線是否有錯(cuò)，對(duì)接錯(cuò)的重新連接。

3 結(jié)論

本文的電流檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，檢測(cè)噪聲較小，獲得了較高的三相反饋電流信噪比，提高了永磁同步電機(jī)電流環(huán)跟蹤效果，已經(jīng)應(yīng)用于光電跟蹤系統(tǒng)中。

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