直流母线单电流采样在交流电机相电流检测中的应用

0 引言

在应用交流电动机(以下简称电机)构成的驱动系统中，需要设置与电流相关的保护措施，比如为了保护逆变电路的安全，需要通过获取直流母线的电流以构成短路保护;为了保护电机，需要获取电机的相电流以构成过流保护等。经典的方法是采用电流传感器来得到电机相电流的信息，但这自然要增加成本，在精度不需要太高而又需要降低成本的情况下，通过直流母线单电流采样来检测电机相电流，是一种值得考虑的方法。

1 脉宽调制模式下逆变电路的变流分析

在现代交流驱动系统中，一般都采用互补输出脉宽调制信号的方式来控制逆变电路功率开关器件的通断，以调节逆变电路输出电压的频率和幅值。互补输出是指在逆变电路同一桥臂上下两个开关器件的开关状态刚好相反，即上桥臂器件导通时，下桥臂器件截止，或下桥臂器件导通时，上桥臂器件截止。

逆变电路的结构原理图如图1所示。

在图1所示的三相逆变电路的结构图中，开关变量有两种状态，即0状态和1状态。当桥臂为1状态时，上桥臂导通，下桥臂截止;当桥臂为0 状态时，

下桥臂导通，上桥臂截止。如果三个桥臂的开关状态用变量Sa、Sb、Sc表示，则可得到三相逆变电路的八种开关状态，如表1所列。

从表1可以看出，当(Sa、Sb、Sc)=(0、0、0)时，逆变电路上桥臂全部截止，下桥臂全部导通;当(Sa、Sb、Sc)=(1、1、1)时，上桥臂全部导通，下桥臂全部截止。在这两种情况下，电机绕组没有电流流过，于是将这

两种状态定义为无效状态，而将剩下的六种状态定义为有效状态。

以下是逆变电路的电流通路分析，为了更好地说明电流通路的变化，下面做四种典型情况的电流通路分析：第一种是有效状态(1、0、0)的电流通路;

第二种是从有效状态(1、0、0)到无效状态(0、0、0)切换后的电流通路;第三种是从有效状态(1、0、0)到另一种有效状态(1、1、0)的切换过程中的电流通路;第四种是有效状态(1、1、0)的电流通路。

第一种情况设(Sa 、Sb、Sc)的初始有效状态为(1、0、0)，V1、V4、V6导通，V2、V3、V5截止。此时的电流通路如图2所示。从图2可看出，电流从UDC正极→V1→电机A 相绕组→电机B、C 相绕组→V4、V6→UDC负极。交流电机A相电流即为直流母线的电流(图中直流母线电流用IDC表示)。

第二种情况当(Sa 、Sb 、Sc)由(1、0、0)切换为(0、0、0)后，上桥臂全部截止，下桥臂全部导通。在V1截止后，整个逆变电路被关断，但由于电机绕组具有感性负载的特性，电流不能突变，此时续流二极管D2会导通，逆变电路的电流通路如图3所示。从图3可看出，电流从电机A相绕组→电机B、C相绕组→V4、V6→D2→电机A相绕组，电流在电机内部流动，直流母线电流IDC为零。

第三种情况当(Sa 、Sb 、Sc)由(1、0、0)切换为(1、1、0)的过程中，会出现一个死区电流通路，时间非常短暂。所谓死区是指为了防止上下桥臂同时导

通而设置的一个非常短暂的过渡时间，称为死区时间。在死区时间内，上下桥臂同时截止。所以，当(Sa、Sb、Sc)由(1、0、0)切换为(1、1、0)的过程中，V4截止，V3尚未导通，但续流二极管D3会导通，这时的电流通路如图4所示。从图4可看出，电流有两条通路，通路1中电流从电机B相绕组→D3→V1→电机A相绕组→电机B相绕组，这条通路的电流在电机内部流动;通路2中电流从UDC正极→V1→电机A相绕组→电机C 相绕组→V6→UDC负极，这条通路的电流

就是直流母线电流IDC ,也是电机的C相电流。

第四种情况当(Sa、Sb、Sc)由(1、0、0)到(1、1、0)的切换结束后，V3导通，D3载止，此时V1、V3、V6导通，V2、V4、V5截止，电流通路如图5 所示。从图5可看出，电流从UDC正极→V1、V3→电机A、B 相绕组→电机C相绕组→V6→UDC负极，直流母线电流IDC 跟第三种情况一样，还是电机的C相电流。[!--empirenews.page--]

2 直流母线电流到电机相电流的转换

由互补脉宽调制方式下逆变电路的变流分析可知，在无效状态(0、0、0)和(1、1、1)时，逆变电路直流母线的电流IDC为零，在其余六种有效状态下，直流母线都有电流流过，而且等于电机的某相电流，因此可以通过对直流母线电流IDC的采样来得到电机的相电流，图6所示为利用电阻R 作为采样电阻的直流母线单电流检测原理图，以此来得到电机的相电流。

表2 是根据SVPWM 的原理和逆变电路的变流分析，得到的直流母线电流与电机相电流的对应关系。通过表2，根据逆变电路的开关状态、电机三相电流之间的关系，可以将各种开关状态下的直流母线电流转换成相应的电机相电流。

3 实验结果分析

在实验室中，用TI 公司的DSP TMS320FL2407作为实验系统的核心控制器件，逆变电路以专业厂家的逆变模块替代，逆变模块的开关频率为10 kHz，以500 W的交流异步电机作为实验用电机。实验中，在逆变模块的每一种有效开关状态下，DSP 都要采样直流母线电流，而且每一次的采样都对应电机的一相电流，并以两个相邻的直流母线采样周期为基础，通过电机三相电流瞬时值的关系ia+ib+ic =0，计算出第三相电流的瞬时值，以实现从直流母线电流到电机相电流的转换，从而得到A、B、C三相电流的瞬时值。

在实验室测试的波形如图7 所示，图7(a)所示为电机C 相电流的实际波形，图7(b)为经过转换之后的C相电流再经D/A转换输出后，在示波器上显示的波形。

因为逆变模块的开关频率为10 kHz，因此直流母线电流的采样周期为0.1 ms，而电机绕组的特性决定电机电流在0.1 ms 的时间内变化非常小，因此，通过这种转换来得到电机相电流的方法是完全可行的。

4 结语

在对交流驱动系统的成本和体积都有限制的情况下，通过直流母线单电流采样来检测电机相电流是一种可行的方法，但这种方法跟直接使用高性能的电流传感器相比，也确实存在一定的局限性。对于精度要求很高，尤其是要应用电流闭环控制的情况下，电机相电流检测还是建议采用专业厂家的电流传感器来完成，像LEM 系列及其它一些著名品牌的电流传感器都是很好的选择。