0 引言

在應(yīng)用交流電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱電機(jī))構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，需要設(shè)置與電流相關(guān)的保護(hù)措施，比如為了保護(hù)逆變電路的安全，需要通過獲取直流母線的電流以構(gòu)成短路保護(hù);為了保護(hù)電機(jī)，需要獲取電機(jī)的相電流以構(gòu)成過流保護(hù)等。經(jīng)典的方法是采用電流傳感器來得到電機(jī)相電流的信息，但這自然要增加成本，在精度不需要太高而又需要降低成本的情況下，通過直流母線單電流采樣來檢測(cè)電機(jī)相電流，是一種值得考慮的方法。

1 脈寬調(diào)制模式下逆變電路的變流分析

在現(xiàn)代交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，一般都采用互補(bǔ)輸出脈寬調(diào)制信號(hào)的方式來控制逆變電路功率開關(guān)器件的通斷，以調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。互補(bǔ)輸出是指在逆變電路同一橋臂上下兩個(gè)開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)剛好相反，即上橋臂器件導(dǎo)通時(shí)，下橋臂器件截止，或下橋臂器件導(dǎo)通時(shí)，上橋臂器件截止。

逆變電路的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

在圖1所示的三相逆變電路的結(jié)構(gòu)圖中，開關(guān)變量有兩種狀態(tài)，即0狀態(tài)和1狀態(tài)。當(dāng)橋臂為1狀態(tài)時(shí)，上橋臂導(dǎo)通，下橋臂截止;當(dāng)橋臂為0 狀態(tài)時(shí)，

下橋臂導(dǎo)通，上橋臂截止。如果三個(gè)橋臂的開關(guān)狀態(tài)用變量Sa、Sb、Sc表示，則可得到三相逆變電路的八種開關(guān)狀態(tài)，如表1所列。

從表1可以看出，當(dāng)(Sa、Sb、Sc)=(0、0、0)時(shí)，逆變電路上橋臂全部截止，下橋臂全部導(dǎo)通;當(dāng)(Sa、Sb、Sc)=(1、1、1)時(shí)，上橋臂全部導(dǎo)通，下橋臂全部截止。在這兩種情況下，電機(jī)繞組沒有電流流過，于是將這

兩種狀態(tài)定義為無效狀態(tài)，而將剩下的六種狀態(tài)定義為有效狀態(tài)。

以下是逆變電路的電流通路分析，為了更好地說明電流通路的變化，下面做四種典型情況的電流通路分析：第一種是有效狀態(tài)(1、0、0)的電流通路;

第二種是從有效狀態(tài)(1、0、0)到無效狀態(tài)(0、0、0)切換后的電流通路;第三種是從有效狀態(tài)(1、0、0)到另一種有效狀態(tài)(1、1、0)的切換過程中的電流通路;第四種是有效狀態(tài)(1、1、0)的電流通路。

第一種情況設(shè)(Sa 、Sb、Sc)的初始有效狀態(tài)為(1、0、0)，V1、V4、V6導(dǎo)通，V2、V3、V5截止。此時(shí)的電流通路如圖2所示。從圖2可看出，電流從UDC正極→V1→電機(jī)A 相繞組→電機(jī)B、C 相繞組→V4、V6→UDC負(fù)極。交流電機(jī)A相電流即為直流母線的電流(圖中直流母線電流用IDC表示)。

第二種情況當(dāng)(Sa 、Sb 、Sc)由(1、0、0)切換為(0、0、0)后，上橋臂全部截止，下橋臂全部導(dǎo)通。在V1截止后，整個(gè)逆變電路被關(guān)斷，但由于電機(jī)繞組具有感性負(fù)載的特性，電流不能突變，此時(shí)續(xù)流二極管D2會(huì)導(dǎo)通，逆變電路的電流通路如圖3所示。從圖3可看出，電流從電機(jī)A相繞組→電機(jī)B、C相繞組→V4、V6→D2→電機(jī)A相繞組，電流在電機(jī)內(nèi)部流動(dòng)，直流母線電流IDC為零。

第三種情況當(dāng)(Sa 、Sb 、Sc)由(1、0、0)切換為(1、1、0)的過程中，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)死區(qū)電流通路，時(shí)間非常短暫。所謂死區(qū)是指為了防止上下橋臂同時(shí)導(dǎo)

通而設(shè)置的一個(gè)非常短暫的過渡時(shí)間，稱為死區(qū)時(shí)間。在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，上下橋臂同時(shí)截止。所以，當(dāng)(Sa、Sb、Sc)由(1、0、0)切換為(1、1、0)的過程中，V4截止，V3尚未導(dǎo)通，但續(xù)流二極管D3會(huì)導(dǎo)通，這時(shí)的電流通路如圖4所示。從圖4可看出，電流有兩條通路，通路1中電流從電機(jī)B相繞組→D3→V1→電機(jī)A相繞組→電機(jī)B相繞組，這條通路的電流在電機(jī)內(nèi)部流動(dòng);通路2中電流從UDC正極→V1→電機(jī)A相繞組→電機(jī)C 相繞組→V6→UDC負(fù)極，這條通路的電流

就是直流母線電流IDC ,也是電機(jī)的C相電流。

第四種情況當(dāng)(Sa、Sb、Sc)由(1、0、0)到(1、1、0)的切換結(jié)束后，V3導(dǎo)通，D3載止，此時(shí)V1、V3、V6導(dǎo)通，V2、V4、V5截止，電流通路如圖5 所示。從圖5可看出，電流從UDC正極→V1、V3→電機(jī)A、B 相繞組→電機(jī)C相繞組→V6→UDC負(fù)極，直流母線電流IDC 跟第三種情況一樣，還是電機(jī)的C相電流。[!--empirenews.page--]

2 直流母線電流到電機(jī)相電流的轉(zhuǎn)換

由互補(bǔ)脈寬調(diào)制方式下逆變電路的變流分析可知，在無效狀態(tài)(0、0、0)和(1、1、1)時(shí)，逆變電路直流母線的電流IDC為零，在其余六種有效狀態(tài)下，直流母線都有電流流過，而且等于電機(jī)的某相電流，因此可以通過對(duì)直流母線電流IDC的采樣來得到電機(jī)的相電流，圖6所示為利用電阻R 作為采樣電阻的直流母線單電流檢測(cè)原理圖，以此來得到電機(jī)的相電流。

表2 是根據(jù)SVPWM 的原理和逆變電路的變流分析，得到的直流母線電流與電機(jī)相電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過表2，根據(jù)逆變電路的開關(guān)狀態(tài)、電機(jī)三相電流之間的關(guān)系，可以將各種開關(guān)狀態(tài)下的直流母線電流轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電機(jī)相電流。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)室中，用TI 公司的DSP TMS320FL2407作為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心控制器件，逆變電路以專業(yè)廠家的逆變模塊替代，逆變模塊的開關(guān)頻率為10 kHz，以500 W的交流異步電機(jī)作為實(shí)驗(yàn)用電機(jī)。實(shí)驗(yàn)中，在逆變模塊的每一種有效開關(guān)狀態(tài)下，DSP 都要采樣直流母線電流，而且每一次的采樣都對(duì)應(yīng)電機(jī)的一相電流，并以兩個(gè)相鄰的直流母線采樣周期為基礎(chǔ)，通過電機(jī)三相電流瞬時(shí)值的關(guān)系ia+ib+ic =0，計(jì)算出第三相電流的瞬時(shí)值，以實(shí)現(xiàn)從直流母線電流到電機(jī)相電流的轉(zhuǎn)換，從而得到A、B、C三相電流的瞬時(shí)值。

在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的波形如圖7 所示，圖7(a)所示為電機(jī)C 相電流的實(shí)際波形，圖7(b)為經(jīng)過轉(zhuǎn)換之后的C相電流再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換輸出后，在示波器上顯示的波形。

因?yàn)槟孀兡K的開關(guān)頻率為10 kHz，因此直流母線電流的采樣周期為0.1 ms，而電機(jī)繞組的特性決定電機(jī)電流在0.1 ms 的時(shí)間內(nèi)變化非常小，因此，通過這種轉(zhuǎn)換來得到電機(jī)相電流的方法是完全可行的。

4 結(jié)語

在對(duì)交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的成本和體積都有限制的情況下，通過直流母線單電流采樣來檢測(cè)電機(jī)相電流是一種可行的方法，但這種方法跟直接使用高性能的電流傳感器相比，也確實(shí)存在一定的局限性。對(duì)于精度要求很高，尤其是要應(yīng)用電流閉環(huán)控制的情況下，電機(jī)相電流檢測(cè)還是建議采用專業(yè)廠家的電流傳感器來完成，像LEM 系列及其它一些著名品牌的電流傳感器都是很好的選擇。