趙圣寶,吳成加
(安徽安凱汽車股份有限公司,合肥230051)
電動汽車用電機控制器三相電流不平衡檢測電路設計
趙圣寶,吳成加
(安徽安凱汽車股份有限公司,合肥230051)
為提高電動汽車電機控制器的可靠性和穩(wěn)定性,設計一種三相電流不平衡檢測電路,包括電流傳感器選型及電路、三相濾波電路、三相電流反相求和電路,上/下限比較電路及發(fā)光二極管報警電路。通過仿真試驗,驗證該檢測電路是正確和可行的。
電動汽車;電機控制器;三相電流不平衡;電路;仿真
電機控制器是現(xiàn)代電機調(diào)速控制和節(jié)能產(chǎn)品中不可或缺的重要設備之一。近幾年來,隨著電動汽車的發(fā)展,電機及電機控制器在汽車中的應用越來越廣[1-2]。如果電機三相電流不平衡,會帶來降低電機輸出功率、降低功率因數(shù)、增加諧波等不良影響,尤其是在電動汽車上應用的電機控制器一旦發(fā)生故障,將直接威脅到乘客的人身及財產(chǎn)安全。為保證電動汽車用電機控制器運轉可靠、穩(wěn)定,軟件設計中尤其是空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術的實現(xiàn)要用到三相電流反饋信號,因此,正確可靠地檢測電機控制器輸出電流顯得尤為重要。本文采用電流傳感器對三相電流進行檢測,重點設計了三相不平衡電路,并對該設計做了仿真試驗[3-4],驗證了本設計是正確和可行的。
本三相電流不平衡檢測電路由傳感器分壓電路、三相濾波電路、三相電流反相求和電路、上/下限比較電路及發(fā)光二極管指示電路組成,其工作原理見圖1。
三相電流經(jīng)電流傳感器采樣分壓、濾波求和后與上/下限比較電路的基準電壓比較。當三相電流之和超過設計上/下限值時,發(fā)光二極管電路發(fā)光示警。
電動大客車用電機控制器峰值功率常在200 kW左右,因此,本設計選用型號HAT500-S的LEM電流傳感器,電流最大測量范圍為±1 500 A。被測電流沿正確方向從傳感器中流過時,輸出端能測到與流過電流傳感器的電流同相位的電壓信號。該型號電流傳感器采用±15 V電源供電,傳感器流過電流為±500 A時,對應輸出端電壓為±4 V,即傳感器線性增益為4 000 mV/500 A=8 mV/A。該型號電流傳感器要求負載電阻大于10 kΩ。本設計中負載電阻選為14 kΩ,即圖2中的R1&R4,R2&R5,R3&R6,經(jīng)分壓后將信號傳至后級濾波電路[5-8],圖2中的U、V、W分別接至三個電流傳感器的3號引腳。
三相濾波電路設計成RC低通濾波。本實例中每一相濾波器的R=2.8 kΩ、C=100 pF,則截至頻率:
為保證電流傳感器可靠工作,濾波器輸出接電壓跟隨器,起隔離緩沖作用。在三相電流反相求和電路設計中,三相電流對應的三相電壓和A0計算公式如下:
本實例中:
正常情況下,W0+V0+U0=0,即A0=0,比較器輸出為高電平,發(fā)光二極管不亮;當三相電流和超過上限值使得A0大于上限基準電壓u時,比較器U2A輸出低電平,發(fā)光二極管被點亮;當三相電流和超過下限值使得A0小于下限基準電壓-v時,比較器U2B輸出低電平,發(fā)光二極管被點亮。本設計中所述的三相電流不平衡是指三相電流和超過一定限值,調(diào)整反相放大求和電路的增益即調(diào)整電阻R13,或者調(diào)整電阻R10、R11、R12,均可將三相電流和限定在所要求的范圍內(nèi),以確保電機控制器可靠穩(wěn)定工作。
上/下限基準電壓電路設計如圖3所示。上限基準電壓u=2.5 V,由431穩(wěn)壓得到;下限基準電壓v=-2.5 V,由反相比例放大器產(chǎn)生。比較器U2A和U2B的輸出接到發(fā)光二極管D1的陰極。當三相電流和超出限定范圍時,發(fā)光二極管被點亮。
基于NI電路仿真軟件Circuit Design Suite11搭建本設計電路的仿真模型,用示波器觀測各個信號。示波器CH1通道為U相電流傳感器輸出端的電壓波形;CH2通道為V相電流傳感器輸出端的電壓波形;CH3通道為W相電流傳感器輸出端的電壓波形;CH4通道為比較器U2A的輸出端1腳和U2B的輸出端7腳信號波形。
圖4是三相電流和等于零即三相電流平衡條件下,觀測到的三路電流傳感器輸出端電壓波形和比較器輸出端波形。由于三相電流平衡,故CH4通道波形為高電平,此時設計電路中發(fā)光二極管D1不被點亮。
圖5是三相電流中與CH1通道連接的U相電流偏小,導致三相電流和在一個周期中某個時間段內(nèi)超出限值時各個信號波形;圖6是三相電流中與CH1通道連接的U相電流偏大導致三相電流和在一個周期中某個時間段內(nèi)超出限值時各個信號波形。兩種情況下,CH4通道波形均出現(xiàn)高、低電平的變化。高電平說明三相電流和在限值內(nèi);低電平說明三相電流和已超出限值,即認為三相和不平衡,此時發(fā)光二極管被點亮示警。
仿真試驗結果驗證了本設計是正確可行的。當發(fā)生三相電流和超限即發(fā)生三相電流不平衡時,設計人員可方便地獲知該故障,以便采取措施,保證人員安全,防止控制器本身及其它設備的損壞。
為確保電動汽車電機控制器使用過程中的安全性和可靠性,本文通過設計一種三相電流不平衡檢測電路,對其中的電流傳感器選型及電路、三相濾波電路、三相電流反相求和電路、上/下限比較電路及發(fā)光二極管報警電路做了具體的設計,并且通過仿真試驗,驗證了該檢測電路的可行性,提高了電動汽車用電機控制器的使用安全性。
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修改稿日期:2015-03-05
Circuit Design on Three-phase Current Unbalance of Electric Vehicle M otor Controller
Zhao Shengbao,Wu Chengjia
(Anhui Ankai Automobile Co.,Ltd,Hefei 230051,China)
In order to improve the reliability and stability of the electric vehicle motor controller,the authors design a type of three-phase current unbalance circuit,including the selection of the current sensor,the circuit of three-phase filter,the inverting summing circuit of three-phase current,the comparator circuit of upper and lower limits and the light-emittingdiode warning.Through simulation experiments,the results verify the detection circuit is correct and feasible.
electric vehicle;motor controller;three-phase current unbalance;circuit;simulation
U463.61;TM 571
B
1006-3331(2015)03-0056-03
國家科技支撐計劃課題(No.2014BAG06B00)。
趙圣寶(1984-),男,助理工程師;研究方向:電力電子與電力傳動。