淺析電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器中的電流檢測(cè)

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• 電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器發(fā)展趨勢(shì)

隨著我國(guó)新能源汽車的高速發(fā)展，以及全球?qū)Νh(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的重視，新能源電動(dòng)汽車市場(chǎng)呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。根據(jù)中汽協(xié)數(shù)據(jù)顯示，2023年中國(guó)新能源汽車產(chǎn)銷分別為958.7萬(wàn)輛和949.5萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)35.8%和37.9%，市場(chǎng)占有率已經(jīng)達(dá)到31.6%。新能源電動(dòng)汽車市場(chǎng)的持續(xù)高漲，將帶動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器裝機(jī)量快速提升。預(yù)計(jì)到2029年，全球電動(dòng)汽車電機(jī)控制器市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到數(shù)千億人民幣的規(guī)模，年復(fù)合增長(zhǎng)率保持在較高的水平。

在中國(guó)市場(chǎng)，隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)政策的不斷完善和新能源汽車市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，消費(fèi)者對(duì)新能源汽車的續(xù)航里程、安全性能等方面要求的提高，市場(chǎng)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的性能和質(zhì)量要求也不斷提高。

新能源電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)是電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的核心部分，主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、控制器和變速器三大核心部件組成。電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器接受整車控制器（VCU）的指令，通過(guò)IGBT模塊的開關(guān)狀態(tài)，將動(dòng)力電池提供的直流電轉(zhuǎn)換成交流電，供給驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用。同時(shí)，通過(guò)監(jiān)測(cè)傳感器信號(hào)和電路狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)和控制電路的實(shí)時(shí)保護(hù)。如圖1 電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖1 電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

• 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器電路結(jié)構(gòu)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器由低壓和高壓部分組成，通常包括功率電路、控制電路、傳感器接口和保護(hù)電路等。功率電路負(fù)責(zé)將電池的直流電轉(zhuǎn)換為電機(jī)所需的交流電，核心部件是逆變器，通常采用IGBT或SiC MOSFET等功率半導(dǎo)體器件。控制電路則負(fù)責(zé)實(shí)施電機(jī)控制算法，如矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制，以實(shí)現(xiàn)精確的電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制。傳感器接口則用于接收電機(jī)和環(huán)境變量的反饋信號(hào)，如電流、電壓、溫度等，以便于實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。保護(hù)電路則包括過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱等保護(hù)功能，確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。電路結(jié)構(gòu)如圖2。

2.1 低壓部分

低壓部分主要包括以下模塊：

1. 輸入/輸出接口電路：負(fù)責(zé)外部輸入信號(hào)與控制器主板的轉(zhuǎn)換連接，以及控制器主板輸出信號(hào)與外部設(shè)備的轉(zhuǎn)換連接。
2. 控制主板：與整車控制器（VCU）通信，對(duì)旋變傳感器供電并分析旋變信號(hào)，控制IGBT模塊，監(jiān)測(cè)高壓直流母線電流、IGBT模塊溫度及高壓插頭連接情況等。
3. 運(yùn)算器與存儲(chǔ)器：處理控制算法和存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)。
4. 傳感器：電流傳感器、電壓傳感器和溫度傳感器，用于監(jiān)測(cè)電機(jī)和控制器的工作狀態(tài)并提供保護(hù)和控制。
5. 輔助電源：為控制電路提供必要的電源支持。

2.2 高壓部分

高壓部分主要包含以下模塊：

1. IGBT模塊，絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）模塊是電機(jī)控制器的核心部件，負(fù)責(zé)將直流電轉(zhuǎn)換成三相交流電，并控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向。在車輛減速時(shí)，還能回收能量，將三相交流電轉(zhuǎn)換成高壓直流電，對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行充電。
2. 超級(jí)電容：與高壓直流母線并聯(lián)，作用是在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)保持電壓穩(wěn)定，確保電機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)。
3. 放電電阻：用于在需要時(shí)快速放電，保護(hù)電路安全。
4. 直流高壓插接器與UVW插接器：負(fù)責(zé)高壓電路的連接與斷開，確保電流和電壓的穩(wěn)定傳輸。

2.3 三相逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

以新能源電動(dòng)汽車中最常用的三相逆變橋結(jié)構(gòu)為例，三相逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的常用結(jié)構(gòu)。它將直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電，供給電機(jī)使用。

如圖2，三相逆變橋結(jié)構(gòu)通常由六個(gè)開關(guān)元件組成（IGBT模塊），分為三組，每組控制一相輸出。通過(guò)控制這些開關(guān)元件的通斷狀態(tài)，可以產(chǎn)生三相交流電，其頻率和幅值可調(diào)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。

三相逆變橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生平滑的三相交流電，適用于高性能的交流電機(jī)控制場(chǎng)景。比如電動(dòng)汽車領(lǐng)域的交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器。同時(shí)，隨著新能源電動(dòng)汽車的發(fā)展，對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的集成化要求越來(lái)越高。集成化電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器將電機(jī)控制器、功率變換器、傳感器等原件集成在一起，形成緊湊且高效的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

圖2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器三相逆變橋結(jié)構(gòu)圖

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• 三相逆變結(jié)構(gòu)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器電流檢測(cè)要求及方案

3.1三相逆變橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器電流檢測(cè)要求及電流檢測(cè)點(diǎn)

三相逆變橋結(jié)構(gòu)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的電流檢測(cè)是至關(guān)重要的，它們用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，確保電機(jī)能夠高效、穩(wěn)定工作。在三相逆變橋結(jié)構(gòu)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器中，通過(guò)準(zhǔn)確檢測(cè)電機(jī)的相電流，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的精確控制，同時(shí)監(jiān)測(cè)電流是否超過(guò)額定值，防止電機(jī)過(guò)載或短路等故障發(fā)生。

通常來(lái)說(shuō)，在三相逆變橋結(jié)構(gòu)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，需要在三相逆變器輸出端或者直流母線側(cè)做電流檢測(cè)。

1. 三相逆變器輸出端：選擇在三相逆變器輸出端，即電機(jī)輸入端，是因?yàn)槟孀兒筝敵鲭娏髦苯臃从沉穗姍C(jī)是實(shí)際運(yùn)行電流，通過(guò)在每個(gè)輸出相上安裝電流傳感器，可以實(shí)時(shí)掌握電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，用于電機(jī)的閉環(huán)控制、故障診斷和過(guò)載保護(hù)。
2. 直流母線側(cè)：為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和降低成本，也可以選擇在直流母線側(cè)進(jìn)行電流檢測(cè)。這種方法需要采用特殊的電流檢測(cè)算法和信號(hào)處理技術(shù)，從而準(zhǔn)確計(jì)算出電機(jī)的三相電流。

圖3 電機(jī)逆變器結(jié)構(gòu)

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3.2三相逆變橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器電流檢測(cè)方案

?在電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器電路中，電流檢測(cè)常用的技術(shù)有：1.采樣電阻；2.霍爾電流傳感器；3.電流互感器；4.磁通門。在逆變電路中，通常使用是基于霍爾效應(yīng)、霍爾元件的霍爾電流傳感器?；魻栯娏鱾鞲衅骶哂袦y(cè)量范圍廣，響應(yīng)速度快，測(cè)量精度高，動(dòng)態(tài)性能好，工作頻帶寬，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，使用霍爾傳感器檢測(cè)電流最大的優(yōu)勢(shì)是霍爾電流傳感器通過(guò)磁場(chǎng)感應(yīng)測(cè)量電流，無(wú)需與被測(cè)電路直接接觸，同時(shí)，原邊電路與副邊電路之間有良好的電氣隔離，因此不會(huì)對(duì)被測(cè)電路造成干擾和損傷，提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

霍爾傳感器從原理上可分為兩大類，開環(huán)霍爾元件和閉環(huán)霍爾元件，其測(cè)量原理如下圖所示：

圖4 霍爾元件原理圖

開環(huán)霍爾元件直接檢測(cè)由待測(cè)電流激發(fā)出的磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度；閉環(huán)霍爾元件則是在磁環(huán)上又纏繞了一組線圈，其中電流通過(guò)反饋確定，以保證最終磁環(huán)中的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0，這樣通過(guò)測(cè)量線圈中電流的大小即可推算出待測(cè)電流的大小。

閉環(huán)霍爾元件與開環(huán)霍爾元件相比，其檢測(cè)精度較高，并且在響應(yīng)時(shí)間、帶寬等指標(biāo)上也優(yōu)于開環(huán)霍爾元件。

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