电机电流平衡检测简法

魏碧生

摘 要：介绍了一种用MOSFET导通电阻代替电流传感器检测功率变换器主开关电流的技术，该技术根据流过MOSFET开关管的电流大小与其通态压降成正比的原理，用检测通态管压降的方法检测通态电流，分析了开关管通态压降的表现形式及电流波形重构原理，实验结果表明该技术具有实现简单、经济实用的特点，值得推广。

关键词：电流检测;无刷电机;电流波形重构;MOSFET

在功率变换器中，经常要对流过主功率开关器件的电流进行检测，其目的主要有两个：第一，对功率变换器进行过流保护;第二，作为功率变换器控制器的电流反馈检测量。通常的做法是在功率变换器的直流母线上安装电流霍尔或电流互感器以提供电流反馈检测量。由于流过主开关器件的电流通常都较大，所采用的霍尔器件或电流互感器的额定参数也必须很大，不仅成本高、体积大、安装不方便，且不便于实现功率变换器的高功率密度。文中介绍一种用半导体器件构成的电流检测电路，可以直接布置在功率变换器的控制器的印制板上，不仅成本低廉，体积小，安装方便，而且性能良好，还可以同功率变换器固化在一起形成专用集成电路（ASIC）。

1 MOSFET电流检测原理

MOSFET的通态电阻具有正的温度系数，有利于采样多MOSFET管并联。多只元件并联工作时，，MOSFET间可以自动均流。当MOSFET功率开关流过通态电流时，由于通态导通电阻的存在，在其导通沟道上有一定的压降，又凶器件的导通沟道电阻基本稳定，该压降与器件的通态电流成正比。所以，检测出主开关器件的通态压降¨以1也就足检测流过器件的电流大小。传统的方法是直接通过传感器测量相电流，为确保系统安全，还需要过载保护和直流短路保护，这样又需要用一个传感器测量直流母线电流。三相直流无刷电机用这种方法检测，需要4个电流传感器，由此构成的系统控制性能好，可以进行电流闭环控制，转矩脉动较小。缺点是成本高、结构复杂、装置体积大，因此只用于对控制性能要求很高的场合。一种解决措施是把电流传感器集成到功率开关中，分别控制各相电流。这种方法把电流传感器和电机分离，可以减小电机的体积。正常导通的时候可以准确地检测各相电流;换相的时候，电流通过续流二极管导通。因此，这种方法的缺陷是：只有功率开关合上的时才能检测到电流，而检测不到通过续流二极管的电流。

2 无刷直流电机电流检测方法

2.1 无刷直流电机功率驱动电路的基本结构

功率驱动电路的基本结构，主要由MOSFET组成的三相逆变桥，直流母线两端接蓄电池的正负极B+、B一，C，为4700pLF的电解电容，能吸收电感中储存能量，C：为高频无感电容，可对直流电压进行箝位，以抑制由于直流母线分布电感引起的器件两端的尖峰电压。图中的U、V、w分别与三相无刷直流电机的定子绕组相连接。由于电机功率比较大，所以每一个桥臂都是多个MOSFET管并联∞“J。

2.2 无刷直流电机电流检测电路的实现

电路工作原理：LO为下桥MOSFET驱动信号，当LO为0V时，下桥MOSFET管Q为关闭状态，D2右端V1信号点为二极管的管压降0.5V，此时，U1的正向输入端为0.5V，负向输入端电压为10V，此时u1输出为低电平，同时，u2输出也为低电平，LM339是集电极开路输出方式，同样存在导通压降V2的问题，故将信号V01减去信号V02，消除LM339因导通压降引起的检测误差，起到消除输入误差的作用。

当LO为12V时，下桥MOSFET管Q为导通状态，D2右端n点信号为12V，此时，U1的正向输入端为12V，负向输入端电压为10V。U1输出为高阻态，VOI的电压为Q内阻上的压降加上快恢复二极管D1的压降，同时，u2输出也同样为高阻态，V02的电压为二极管D3的压降。通过运放TLC2274组成的减法电路将信号V01减去信号V02，可得到Q内阻上的压降。

开关管管压降和电流检测电路相关点的波形分析采用120。两两导通方式中，在电动或制动状态，总有一个下桥臂处于工作状态，故3个下桥臂的导通压降之和约等于电机绕组的平均电流。

T1和T3是导通时刻，T2是MOSFET关断时刻，DVl是导通时D3的管压降，V2为LM339的导通压降。在电路中，u3起到是过流保护的功能，当V01的电压大于1.5V时，U3的输出为低电平，为过流信号。

例如，在采用6个IRFB4310并联使用的无刷直流电机功率驱动电路中采用以上电流检测方法，该电流检测电路的检测误差主要受并联MOS—FET管动态均流和工作温度的影响。MOSFET的通态电阻具有正的温度系数，有利于动态均流，但随温度的升高，其导通内阻R。也升高，会造成电流检测误差。解决的方案：在电流检测中，根据温度信号，对导通内阻R。进行修正，提高检测精度。在工作环境温度变化较大的情况下，根据MOSFET的通态电阻和温度的曲线关系，修正导通内阻R。可以消除温度对检测精度的影响。

2.3 无刷直流电机电流检测简法

三相异步电机运行时，任意两相问的电流差值不应大于额定电流的10%。否则，说明电机有故障，必须立即切断电源，查明原因后才能再投入运行。对容量较大的电机都装设电流表监视运行电流，而容量较小的电机较少装设电流表，须开机后用钳形电流表测量电机的线电流，但大多数电工测量电机三相电流是否平衡的方法，都是分三次分别测出A、曰、G三相各相的电流，然后进行比较，这种逐相测量的方法，不但欠精确，而且费事费工，可采取以下简法测量。

将三相异步电机的三根电源线同时夹在钳形电流表的钳口里，如果电流表显示有数值，则说明电机三相电流不平衡;如果电流表没有显示电流数值，則说明电机三相电流平衡，此法不但测量精度高，而且简便。

电机三相电流不平衡，一般情况下，不是由三相电源引起的，而是电机有故障。严重的三相电流不平衡，大多是由一相保险丝熔断造成或电机单相运行所致。电机三相电流不平衡的常见原因与处理方法：1）电压不平衡，测量电源线电压，一般电压波动不得超过一5%～+10%，三相电压不平衡不得超过5%。若三相电压不平衡超过5%，就应设法消除不平衡;2）定子绕组线圈短路，检查电机有无局部过热现象，如有极有可能是绕组线圈短路;3）绕组首尾端接错，检查并纠正;4）定子绕组匝数不相等，可用万用表或电桥测量绕组电阻，根据电阻大小检查匝数是否有错，对有错误的重新绕制定子绕组;5）定子绕组部分线圈接线错误，打开电机，检查绕组接线是否有错，对接错的重新连接。

3 结论

本文的电流检测系统结构简单，检测噪声较小，获得了较高的三相反馈电流信噪比，提高了永磁同步电机电流环跟踪效果，已经应用于光电跟踪系统中。

参考文献

[1]马佳光.捕获跟踪与瞄准系统的基本技术问题[J].光电工程，2019（3）：1-42.

[2]刘雷波.信号完整性问题和印制电路板设计[M].北京：机械工业出版社，2018.

[3]吕英华.电磁兼容的印制电路板设计[M].北京：机械工业出版社，2018.