電機電流平衡檢測簡法

魏碧生

摘 要：介紹了一種用MOSFET導通電阻代替電流傳感器檢測功率變換器主開關電流的技術，該技術根據流過MOSFET開關管的電流大小與其通態壓降成正比的原理，用檢測通態管壓降的方法檢測通態電流，分析了開關管通態壓降的表現形式及電流波形重構原理，實驗結果表明該技術具有實現簡單、經濟實用的特點，值得推廣。

關鍵詞：電流檢測;無刷電機;電流波形重構;MOSFET

在功率變換器中，經常要對流過主功率開關器件的電流進行檢測，其目的主要有兩個：第一，對功率變換器進行過流保護;第二，作為功率變換器控制器的電流反饋檢測量。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量。由于流過主開關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也必須很大，不僅成本高、體積大、安裝不方便，且不便于實現功率變換器的高功率密度。文中介紹一種用半導體器件構成的電流檢測電路，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電流檢測原理

MOSFET的通態電阻具有正的溫度系數，有利于采樣多MOSFET管并聯。多只元件并聯工作時，，MOSFET間可以自動均流。當MOSFET功率開關流過通態電流時，由于通態導通電阻的存在，在其導通溝道上有一定的壓降，又兇器件的導通溝道電阻基本穩定，該壓降與器件的通態電流成正比。所以，檢測出主開關器件的通態壓降¨以1也就足檢測流過器件的電流大小。傳統的方法是直接通過傳感器測量相電流，為確保系統安全，還需要過載保護和直流短路保護，這樣又需要用一個傳感器測量直流母線電流。三相直流無刷電機用這種方法檢測，需要4個電流傳感器，由此構成的系統控制性能好，可以進行電流閉環控制，轉矩脈動較小。缺點是成本高、結構復雜、裝置體積大，因此只用于對控制性能要求很高的場合。一種解決措施是把電流傳感器集成到功率開關中，分別控制各相電流。這種方法把電流傳感器和電機分離，可以減小電機的體積。正常導通的時候可以準確地檢測各相電流;換相的時候，電流通過續流二極管導通。因此，這種方法的缺陷是：只有功率開關合上的時才能檢測到電流，而檢測不到通過續流二極管的電流。

2 無刷直流電機電流檢測方法

2.1 無刷直流電機功率驅動電路的基本結構

功率驅動電路的基本結構，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極B+、B一，C，為4700pLF的電解電容，能吸收電感中儲存能量，C：為高頻無感電容，可對直流電壓進行箝位，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分別與三相無刷直流電機的定子繞組相連接。由于電機功率比較大，所以每一個橋臂都是多個MOSFET管并聯∞“J。

2.2 無刷直流電機電流檢測電路的實現

電路工作原理：LO為下橋MOSFET驅動信號，當LO為0V時，下橋MOSFET管Q為關閉狀態，D2右端V1信號點為二極管的管壓降0.5V，此時，U1的正向輸入端為0.5V，負向輸入端電壓為10V，此時u1輸出為低電平，同時，u2輸出也為低電平，LM339是集電極開路輸出方式，同樣存在導通壓降V2的問題，故將信號V01減去信號V02，消除LM339因導通壓降引起的檢測誤差，起到消除輸入誤差的作用。

當LO為12V時，下橋MOSFET管Q為導通狀態，D2右端n點信號為12V，此時，U1的正向輸入端為12V，負向輸入端電壓為10V。U1輸出為高阻態，VOI的電壓為Q內阻上的壓降加上快恢復二極管D1的壓降，同時，u2輸出也同樣為高阻態，V02的電壓為二極管D3的壓降。通過運放TLC2274組成的減法電路將信號V01減去信號V02，可得到Q內阻上的壓降。

開關管管壓降和電流檢測電路相關點的波形分析采用120。兩兩導通方式中，在電動或制動狀態，總有一個下橋臂處于工作狀態，故3個下橋臂的導通壓降之和約等于電機繞組的平均電流。

T1和T3是導通時刻，T2是MOSFET關斷時刻，DVl是導通時D3的管壓降，V2為LM339的導通壓降。在電路中，u3起到是過流保護的功能，當V01的電壓大于1.5V時，U3的輸出為低電平，為過流信號。

例如，在采用6個IRFB4310并聯使用的無刷直流電機功率驅動電路中采用以上電流檢測方法，該電流檢測電路的檢測誤差主要受并聯MOS—FET管動態均流和工作溫度的影響。MOSFET的通態電阻具有正的溫度系數，有利于動態均流，但隨溫度的升高，其導通內阻R。也升高，會造成電流檢測誤差。解決的方案：在電流檢測中，根據溫度信號，對導通內阻R。進行修正，提高檢測精度。在工作環境溫度變化較大的情況下，根據MOSFET的通態電阻和溫度的曲線關系，修正導通內阻R?？梢韵郎囟葘z測精度的影響。

2.3 無刷直流電機電流檢測簡法

三相異步電機運行時，任意兩相問的電流差值不應大于額定電流的10%。否則，說明電機有故障，必須立即切斷電源，查明原因后才能再投入運行。對容量較大的電機都裝設電流表監視運行電流，而容量較小的電機較少裝設電流表，須開機后用鉗形電流表測量電機的線電流，但大多數電工測量電機三相電流是否平衡的方法，都是分三次分別測出A、曰、G三相各相的電流，然后進行比較，這種逐相測量的方法，不但欠精確，而且費事費工，可采取以下簡法測量。

將三相異步電機的三根電源線同時夾在鉗形電流表的鉗口里，如果電流表顯示有數值，則說明電機三相電流不平衡;如果電流表沒有顯示電流數值，則說明電機三相電流平衡，此法不但測量精度高，而且簡便。

電機三相電流不平衡，一般情況下，不是由三相電源引起的，而是電機有故障。嚴重的三相電流不平衡，大多是由一相保險絲熔斷造成或電機單相運行所致。電機三相電流不平衡的常見原因與處理方法：1）電壓不平衡，測量電源線電壓，一般電壓波動不得超過一5%～+10%，三相電壓不平衡不得超過5%。若三相電壓不平衡超過5%，就應設法消除不平衡;2）定子繞組線圈短路，檢查電機有無局部過熱現象，如有極有可能是繞組線圈短路;3）繞組首尾端接錯，檢查并糾正;4）定子繞組匝數不相等，可用萬用表或電橋測量繞組電阻，根據電阻大小檢查匝數是否有錯，對有錯誤的重新繞制定子繞組;5）定子繞組部分線圈接線錯誤，打開電機，檢查繞組接線是否有錯，對接錯的重新連接。

3 結論

本文的電流檢測系統結構簡單，檢測噪聲較小，獲得了較高的三相反饋電流信噪比，提高了永磁同步電機電流環跟蹤效果，已經應用于光電跟蹤系統中。

參考文獻

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