CN110361588A - 一种汽车电动压缩机中永磁同步电机的电流检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车电动压缩机中永磁同步电机的电流检测方法，属于汽车电动压缩机领域。包括控制永磁同步电机M的上桥路和下桥路，其所述的下桥路IGBT Q4、Q5、Q6其中两个与直流母线负端之间串联有两个采样电阻R1和R2，PWM波形中心对齐，设置足够大的死区时间t_dead，在死区时间t_dead内，上桥臂的三个IGBT Q1，Q2，Q3处于全关状态，通过采集采样电阻R1和R2的电流i₁和i₂，及i_a+i_b+i_c＝0得到三相电流i_a、i_b、i_c，i_a、i_b、i_c为通过三相定子绕组的相电流。本发明只用两个精密采样电阻，使PWM波形中心对齐，设置足够大的死区时间t_dead，合理利用死区时间和续流二极管的续流作用，为实现闭环控制。

Description

一种汽车电动压缩机中永磁同步电机的电流检测方法

技术领域

本发明涉及汽车电动压缩机领域，尤其涉及一种汽车电动压缩机中永磁同步电机的电流检测方法。

技术背景

永磁同步电机(简称PMSM)具有功率密度高、定位精准、调速范围宽、低速运行稳定、转矩脉动小等突出优点，使其在新能源汽车领域得到广泛应用。

永磁同步电机主要控制技术有变压变频控制(VVVF)、矢量控制又叫磁场定向控制(FOC)、直接转矩控制等(DTC)。VVVF控制是改变电压和频率来调速，其本质是开环控制，结构简单，调速性能较差。FOC控制是模拟直流电机进行控制的一种算法，实现电流闭环控制，稳态性能优异，调速范围广。DTC控制是选择空间电压矢量直接对转矩和磁链进行控制，也是闭环控制，鲁棒性强，但是脉动较大。VVVF由于是开环控制，不需要检测电流，FOC和DTC都需要检测电流。在汽车电动压缩机中，为了获得优异稳态性能和调速范围，通常采用矢量控制(FOC)对永磁同步电机进行控制，这就涉及到电流检测问题。

电流检测方法有：(1)利用交流互感器检测；(2)利用霍尔传感器检测；(3)利用精密采样电阻检测。交流互感器使强弱电隔离，抗干扰能力强，受温度影响小，但体积比较大。霍尔传感器也具有强弱电隔离作用，抗干扰能力强，但受温度影响比较大，体积也比较大。精密采样电阻没有隔离作用，抗干扰能力差，对控制器的设计和布线有很高的要求，但尺寸比较小，适合于控制器安装尺寸受限的情况。

汽车对每个零部件的尺寸都有严格要求，任何零部件尺寸的增大都对整车的尺寸和布局有影响。为了减小控制器尺寸，采用精密采样电阻检测电流比较合适。为了减小尺寸，控制通道和检测通道都不带隔离措施。这样强弱电必须共地，在设计和布线时必须要考虑抗干扰问题。另一方面在强弱电共地的情况下，电流检测也是一个难题，理论分析表明，在IGBT正常开关情况下，只用两个采样电阻无法正确检测定子绕阻的相电流。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种汽车电动压缩机中永磁同步电机的电流检测方法，特别是当控制器电子线路板尺寸受限时，电动压缩机中永磁同步电机定子绕阻的相电流的检测方法。通过相电流检测可实现永磁同步电机的闭环控制。

本发明在深入分析IGBT各种工作状态的的基础上，通过合理利用死区时间和续流二极管的续流作用，给出一种只用两个精密采样电阻的相电流检测方法，可有效减小控制器电子线路板尺寸。

一种汽车电动压缩机中永磁同步电机的电流检测方法，包括控制永磁同步电机M的上桥路和下桥路，所述的下桥路IGBT Q4、Q5、Q6其中两个与直流母线负端之间串联有两个采样电阻R1和R2，PWM波形中心对齐，设置足够大的死区时间t_dead，在死区时间t_dead内，上桥臂的三个IGBT Q1，Q2，Q3处于全关状态，通过采集采样电阻R1和R2的电流i₁和i₂，及i_a+i_b+i_c＝0得到三相电流i_a、i_b、i_c，i_a、i_b、i_c为通过三相定子绕组的相电流。

进一步的，所述电流检测方法具体包括以下步骤：

S1：利用带有PWM波形发生器的微控制器，每隔PWM周期T_PWM，产生一次PWM中断；

S2：设置PWM周期的死区时间为t_dead，该死区时间应同时大于电流采样周期和确保上下桥臂不直通的安全时间；

S3：一进入PWM中断服务后，通过微控制器的模数转换模块，利用精密采样电阻R₁和R₂，立即采样电流i₁和i₂；

S4：通过采样电流求得i₁和i₂，求得i_a，i_b，i_c；i_a，i_b，i_c为通过三相定子绕组的相电流。

进一步的，所述采样电阻R1和R2分别串联在IGBT Q4、Q5与直流母线负端之间，IGBT Q6直接与直流母线负端连接，求得i_a＝i₁，i_b＝i₂，i_c＝-(i_a+i_b)。

在控制器尺寸受限的汽车电动压缩机应用场合，可采用精密采样电阻检测永磁同步电机定子绕阻的相电流。由于在IGBT正常开关状态下，只用两个精密采样电阻无法实现相电流的正确检测，本发明通过使PWM波形中心对齐，设置合理的死区时间，使其同时大于电流采样周期和确保上下桥臂不直通的安全时间，就可只用两个精密采样电阻正确检测定子绕阻的相电流，为永磁同步电机的闭环控制提供依据。

本发明只用两个精密采样电阻，使PWM波形中心对齐，设置足够大的死区时间t_dead，合理利用死区时间和续流二极管的续流作用，为实现闭环控制，检测永磁同步电机定子绕阻的相电流，能够有效克服IGBT正常开关状态下，只两用两个精密采样电阻无法正确检测相电流的局限性，以减小控制器电子线路板尺寸。检测元件体积小，成本低，特别适用于对安装尺寸有严格要求的汽车电动压缩机控制器应用场合。死区时间应同时大小电流采样周期和确保上下桥臂不直通的安全时间。

附图说明

图1为电机逆变驱动电路原理图；

图2为并联续流二极管的IGBT电机逆变驱动电路原理图；

图3为具有死区的中心对齐的PWM波型。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案作进一步说明。

永磁同步电机逆变驱动电路如图1所示。P为直流母线正极，N为直流母线负极。Q₁，Q₂，Q₃分别为上桥臂的三个IGBT，Q₄，Q₅，Q₆分别为下桥臂的三个IGBT。M为永磁同步电机。i_a，i_b，i_c为通过三相定子绕组的相电流。为了避免直流母线正负极直通短路，要求三对IGBT管Q₁与Q₄，Q₂与Q₅，Q₃与Q₆的开关状态具有互补必性，例如，Q₁开时，Q₄为关，反之Q₄开时，Q₁为关。其余两对也有类似的互补开关状态。R₁，R₂，R₃为精密采样电阻，R₁，R₂分别用于检测相电流i_a,i_b。R₃用于检测直流母线电流，实现短路保护。流过R₁，R₂和R₃的电流分别为i₁，i₂，i₃。根据柯希霍夫电流节点定律，i_a+i_b+i_c＝0,可求得i_c＝-(i_a+i_b)，这样就不需要检测相电流i_c,可少用一个采样电阻，节省成本，减小尺寸。

图1给出了三相电流i_a，i_b，i_c的参考方向，根据实际方向，分为下面八种情况，编号分别为0，1，…，7，如表1所示。

序号0表示Q₁，Q₂，Q₃全关断，Q₄，Q₅，Q₆全导通的情况。这时，除非i_a＝i_b＝i_c＝0，否则不满足柯希霍夫电流节点定律，即i_a+i_b+i_c≠0。因此，这种情况相当于关断母线电流的情况，因此，IGBT正常开关状态下不会出现这种情况。序号7与序号0表示的情况相类似，也属于IGBT非正常开关状态的情况，正常开关状态下也不会出现这种情况。下面分析序号1到序号6所表示的情况。

第1种情况：下桥臂Q₄，Q₅开，上桥臂Q₃开，其余IGBT全部关断。这时可根据表1求得相电流i_a，i_b，i_c。

第2种情况：下桥臂Q₄，Q₆开，上桥臂Q₂开，其余IGBT全部关断。这时可根据表1求得相电流i_a，i_b，i_c。

第3种情况：下桥臂Q₄开，上桥臂Q₂，Q₃，开，其余IGBT全部关断。这时只能根据表1求得相电流i_a，而相电流i_b，i_c无法确定。

第4种情况：下桥臂Q5，Q₆开，上桥臂Q₁开，其余IGBT全部关断。这时可根据表1求得相电流i_a，i_b，i_c。

第5种情况：下桥臂Q₅开，上桥臂Q₁，Q₃，开，其余IGBT全部关断。这时只能根据表1求得相电流i_b，而相电流i_a，i_c无法确定。

第6种情况：下桥臂Q₆开，上桥臂Q₁，Q₂，开，其余IGBT全部关断。这时只能根据表1求得相电流i_c，而相电流i_a，i_b无法确定。

由此可见，在IGBT正常开关状态的情况下，只利用两个采样电阻R₁，R₂，对情况1，2，4，可正确检测每相定子绕阻的相电流，而对于情况3，5和6，只能确定其中一相定子绕阻的相电流，另外两相无法确定。因此，需要寻找一种新的措施检测三相定子绕组的相电流。

通常为了避免IGBT关断时产生很大的自感电动势，每个IGBT都需要并联续流二极管，如图2所示。这样即使出现序号0的情况，即上桥臂Q₁，Q₂，Q₃全关断时，利用下桥臂Q₄，Q₅，Q₆上并联的续流二极管，可使得三相电流i_a，i_b，i_c连续变化。

表1 相电流的八种情况

为了便于检测电流，在一个PWM周期内，采用中心对齐的PWM波型，高电平表示IGBT导通，低电平表示IGBT关断，图3只给出了上桥臂IGBT的波形，对应的下桥臂IGBT的波形与之相反。图3中，从理论上讲，在某个PWM周期内Q₃应全开，对应的Q₆应全关。为了安全起见，使Q₃在一个适当的死区时间t_dead内关断，而下桥臂的Q₆在整个PWM周期内仍然关断，这样可避免上下桥臂直通而使直流母线正负极短路。

如图3所示的情形，在死区时间内，i_a＝i₁，i_b＝i₂，由于Q₆上并联的二极管的续流作用，i_c＝-(i_a+i_b)＝-(i₁+i₂)，此式也满足柯希霍夫电流节点定律。

对于其他情况，也可在上桥臂IGBT全关的死区时间内，利用精密采样电阻检测每相定子绕阻的相电流，具体步骤如下：

S1.利用带有PWM波形发生器的微控制器，每隔PWM周期T_PWM，产生一次PWM中断。

S2.设置PWM周期的死区时间为t_dead，该死区时间应同时大于电流采样周期和确保上下桥臂不直通的安全时间。

S3.一进入PWM中断服务后，通过微控制器的模数转换模块，利用精密采样电阻R₁和R₂，立即采样电流i₁和i₂。

S4.求得i_a＝i₁，i_b＝i₂，i_c＝-(i_a+i_b)。

Claims (3)

1.一种汽车电动压缩机中永磁同步电机的电流检测方法，包括控制永磁同步电机M的上桥路和下桥路，其特征在于所述的下桥路IGBT Q4、Q5、Q6其中两个与直流母线负端之间串联有两个采样电阻R1和R2，PWM波形中心对齐，设置足够大的死区时间t_dead，在死区时间t_dead内，上桥臂的三个IGBT Q1，Q2，Q3处于全关状态，通过采集采样电阻R1和R2的电流i₁和i₂，及i_a+i_b+i_c＝0得到三相电流i_a、i_b、i_c，i_a、i_b、i_c为通过三相定子绕组的相电流。

2.根据权利要求1所述的一种汽车电动压缩机中永磁同步电机的电流检测方法，其特征在于具体包括以下步骤：

S1：利用带有PWM波形发生器的微控制器，每隔PWM周期T_PWM，产生一次PWM中断；

S2：设置PWM周期的死区时间为t_dead，该死区时间应同时大于电流采样周期和确保上下桥臂不直通的安全时间；

S3：一进入PWM中断服务后，通过微控制器的模数转换模块，利用精密采样电阻R₁和R₂，立即采样电流i₁和i₂；

S4：通过采样电流求得i₁和i₂，求得i_a，i_b，i_c；i_a，i_b，i_c为通过三相定子绕组的相电流。

3.根据权利要求2所述的一种汽车电动压缩机中永磁同步电机的电流检测方法，其特征在于所述采样电阻R1和R2分别串联在IGBT Q4、Q5与直流母线负端之间，IGBT Q6直接与直流母线负端连接，求得i_a＝i₁，i_b＝i₂，i_c＝-(i_a+i_b)。