淺析電機驅(qū)動控制器中的電流檢測

1、電動汽車電機驅(qū)動控制器發(fā)展趨勢

隨著我國新能源汽車的高速發(fā)展，以及全球?qū)Νh(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的重視，新能源電動汽車市場呈現(xiàn)出快速增長的態(tài)勢。根據(jù)中汽協(xié)數(shù)據(jù)顯示，2023年中國新能源汽車產(chǎn)銷分別為958.7萬輛和949.5萬輛，同比增長35.8%和37.9%，市場占有率已經(jīng)達到31.6%。新能源電動汽車市場的持續(xù)高漲，將帶動電機驅(qū)動控制器裝機量快速提升。預(yù)計到2029年，全球電動汽車電機控制器市場規(guī)模將達到數(shù)千億人民幣的規(guī)模，年復(fù)合增長率保持在較高的水平。

在中國市場，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的不斷擴大，消費者對新能源汽車的續(xù)航里程、安全性能等方面要求的提高，市場對電機驅(qū)動控制器的性能和質(zhì)量要求也不斷提高。

新能源電動汽車電驅(qū)動結(jié)構(gòu)是電動汽車動力系統(tǒng)的核心部分，主要由驅(qū)動電機、控制器和變速器三大核心部件組成。電機驅(qū)動控制器接受整車控制器（VCU）的指令，通過IGBT模塊的開關(guān)狀態(tài)，將動力電池提供的直流電轉(zhuǎn)換成交流電，供給驅(qū)動電機使用。同時，通過監(jiān)測傳感器信號和電路狀態(tài)，實現(xiàn)對電機和控制電路的實時保護。如圖1電動汽車電驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖1電動汽車電驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2、電機驅(qū)動控制器電路結(jié)構(gòu)

電機驅(qū)動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、傳感器接口和保護電路等。功率電路負責(zé)將電池的直流電轉(zhuǎn)換為電機所需的交流電，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。控制電路則負責(zé)實施電機控制算法，如矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制，以實現(xiàn)精確的電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制。傳感器接口則用于接收電機和環(huán)境變量的反饋信號，如電流、電壓、溫度等，以便于實現(xiàn)閉環(huán)控制。保護電路則包括過流、過壓、過熱等保護功能，確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。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：

輸入/輸出接口電路：負責(zé)外部輸入信號與控制器主板的轉(zhuǎn)換連接，以及控制器主板輸出信號與外部設(shè)備的轉(zhuǎn)換連接。

控制主板：與整車控制器（VCU）通信，對旋變傳感器供電并分析旋變信號，控制IGBT模塊，監(jiān)測高壓直流母線電流、IGBT模塊溫度及高壓插頭連接情況等。

運算器與存儲器：處理控制算法和存儲相關(guān)數(shù)據(jù)。

傳感器：電流傳感器、電壓傳感器和溫度傳感器，用于監(jiān)測電機和控制器的工作狀態(tài)并提供保護和控制。

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：

IGBT模塊，絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）模塊是電機控制器的核心部件，負責(zé)將直流電轉(zhuǎn)換成三相交流電，并控制電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向。在車輛減速時，還能回收能量，將三相交流電轉(zhuǎn)換成高壓直流電，對動力電池進行充電。

超級電容：與高壓直流母線并聯(lián)，作用是在電機啟動時保持電壓穩(wěn)定，確保電機平穩(wěn)啟動。

放電電阻：用于在需要時快速放電，保護電路安全。

直流高壓插接器與UVW插接器：負責(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 三相逆變器拓撲結(jié)構(gòu)

以新能源電動汽車中最常用的三相逆變橋結(jié)構(gòu)為例，三相逆變器拓撲結(jié)構(gòu)是交流電機驅(qū)動控制器的常用結(jié)構(gòu)。它將直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電，供給電機使用。

如圖2，三相逆變橋結(jié)構(gòu)通常由六個開關(guān)元件組成（IGBT模塊），分為三組，每組控制一相輸出。通過控制這些開關(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)，從而控制電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。

三相逆變橋拓撲結(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控制場景。比如電動汽車領(lǐng)域的交流電機驅(qū)動控制器。同時，隨著新能源電動汽車的發(fā)展，對電機驅(qū)動控制器的集成化要求越來越高。集成化電機驅(qū)動控制器將電機控制器、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)動系統(tǒng)。

圖2電機驅(qū)動控制器三相逆變橋結(jié)構(gòu)圖

3、三相逆變結(jié)構(gòu)電機驅(qū)動控制器電流檢測要求及方案

3.1三相逆變橋電機驅(qū)動控制器電流檢測要求及電流檢測點

三相逆變橋結(jié)構(gòu)電機驅(qū)動控制器的電流檢測是至關(guān)重要的，它們用于實時監(jiān)測和控制電機的運行狀態(tài)，確保電機能夠高效、穩(wěn)定工作。在三相逆變橋結(jié)構(gòu)電機驅(qū)動控制器中，通過準確檢測電機的相電流，可以實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的精確控制，同時監(jiān)測電流是否超過額定值，防止電機過載或短路等故障發(fā)生。

通常來說，在三相逆變橋結(jié)構(gòu)電機驅(qū)動系統(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。

三相逆變器輸出端：選擇在三相逆變器輸出端，即電機輸入端，是因為逆變后輸出電流直接反映了電機是實際運行電流，通過在每個輸出相上安裝電流傳感器，可以實時掌握電機的運行狀態(tài)，用于電機的閉環(huán)控制、故障診斷和過載保護。

直流母線側(cè)：為了簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和降低成本，也可以選擇在直流母線側(cè)進行電流檢測。這種方法需要采用特殊的電流檢測算法和信號處理技術(shù)，從而準確計算出電機的三相電流。

圖3?電機逆變器結(jié)構(gòu)

3.2三相逆變橋電機驅(qū)動控制器電流檢測方案

在電機驅(qū)動控制器電路中，電流檢測常用的技術(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量范圍廣，響應(yīng)速度快，測量精度高，動態(tài)性能好，工作頻帶寬，可靠性高等優(yōu)點，使用霍爾傳感器檢測電流最大的優(yōu)勢是霍爾電流傳感器通過磁場感應(yīng)測量電流，無需與被測電路直接接觸，同時，原邊電路與副邊電路之間有良好的電氣隔離，因此不會對被測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)霍爾元件直接檢測由待測電流激發(fā)出的磁場磁感應(yīng)強度；閉環(huán)霍爾元件則是在磁環(huán)上又纏繞了一組線圈，其中電流通過反饋確定，以保證最終磁環(huán)中的磁感應(yīng)強度為0，這樣通過測量線圈中電流的大小即可推算出待測電流的大小。閉環(huán)霍爾元件與開環(huán)霍爾元件相比，其檢測精度較高，并且在響應(yīng)時間、帶寬等指標上也優(yōu)于開環(huán)霍爾元件。

審核編輯 黃宇