电动汽车用电机控制器三相电流不平衡检测电路设计

赵圣宝，吴成加

（安徽安凯汽车股份有限公司，合肥230051）

电动汽车用电机控制器三相电流不平衡检测电路设计

赵圣宝，吴成加

（安徽安凯汽车股份有限公司，合肥230051）

为提高电动汽车电机控制器的可靠性和稳定性，设计一种三相电流不平衡检测电路，包括电流传感器选型及电路、三相滤波电路、三相电流反相求和电路，上/下限比较电路及发光二极管报警电路。通过仿真试验，验证该检测电路是正确和可行的。

电动汽车；电机控制器；三相电流不平衡；电路；仿真

电机控制器是现代电机调速控制和节能产品中不可或缺的重要设备之一。近几年来，随着电动汽车的发展，电机及电机控制器在汽车中的应用越来越广［1-2］。如果电机三相电流不平衡，会带来降低电机输出功率、降低功率因数、增加谐波等不良影响，尤其是在电动汽车上应用的电机控制器一旦发生故障，将直接威胁到乘客的人身及财产安全。为保证电动汽车用电机控制器运转可靠、稳定，软件设计中尤其是空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术的实现要用到三相电流反馈信号，因此，正确可靠地检测电机控制器输出电流显得尤为重要。本文采用电流传感器对三相电流进行检测，重点设计了三相不平衡电路，并对该设计做了仿真试验［3-4］，验证了本设计是正确和可行的。

1　电路原理及电路设计

本三相电流不平衡检测电路由传感器分压电路、三相滤波电路、三相电流反相求和电路、上/下限比较电路及发光二极管指示电路组成，其工作原理见图1。

三相电流经电流传感器采样分压、滤波求和后与上/下限比较电路的基准电压比较。当三相电流之和超过设计上/下限值时，发光二极管电路发光示警。

电动大客车用电机控制器峰值功率常在200 kW左右，因此，本设计选用型号HAT500-S的LEM电流传感器，电流最大测量范围为±1 500 A。被测电流沿正确方向从传感器中流过时，输出端能测到与流过电流传感器的电流同相位的电压信号。该型号电流传感器采用±15 V电源供电，传感器流过电流为±500 A时，对应输出端电压为±4 V，即传感器线性增益为4 000 mV/500 A=8 mV/A。该型号电流传感器要求负载电阻大于10 kΩ。本设计中负载电阻选为14 kΩ，即图2中的R1&R4，R2&R5，R3&R6，经分压后将信号传至后级滤波电路［5-8］，图2中的U、V、W分别接至三个电流传感器的3号引脚。

三相滤波电路设计成RC低通滤波。本实例中每一相滤波器的R=2.8 kΩ、C=100 pF，则截至频率：

为保证电流传感器可靠工作，滤波器输出接电压跟随器，起隔离缓冲作用。在三相电流反相求和电路设计中，三相电流对应的三相电压和A0计算公式如下：

本实例中：

正常情况下，W0+V0+U0=0，即A0=0，比较器输出为高电平，发光二极管不亮；当三相电流和超过上限值使得A0大于上限基准电压u时，比较器U2A输出低电平，发光二极管被点亮；当三相电流和超过下限值使得A0小于下限基准电压-v时，比较器U2B输出低电平，发光二极管被点亮。本设计中所述的三相电流不平衡是指三相电流和超过一定限值，调整反相放大求和电路的增益即调整电阻R13，或者调整电阻R10、R11、R12，均可将三相电流和限定在所要求的范围内，以确保电机控制器可靠稳定工作。

上/下限基准电压电路设计如图3所示。上限基准电压u=2.5 V，由431稳压得到；下限基准电压v=-2.5 V，由反相比例放大器产生。比较器U2A和U2B的输出接到发光二极管D1的阴极。当三相电流和超出限定范围时，发光二极管被点亮。

2　仿真试验

基于NI电路仿真软件Circuit Design Suite11搭建本设计电路的仿真模型，用示波器观测各个信号。示波器CH1通道为U相电流传感器输出端的电压波形；CH2通道为V相电流传感器输出端的电压波形；CH3通道为W相电流传感器输出端的电压波形；CH4通道为比较器U2A的输出端1脚和U2B的输出端7脚信号波形。

图4是三相电流和等于零即三相电流平衡条件下，观测到的三路电流传感器输出端电压波形和比较器输出端波形。由于三相电流平衡，故CH4通道波形为高电平，此时设计电路中发光二极管D1不被点亮。

图5是三相电流中与CH1通道连接的U相电流偏小，导致三相电流和在一个周期中某个时间段内超出限值时各个信号波形；图6是三相电流中与CH1通道连接的U相电流偏大导致三相电流和在一个周期中某个时间段内超出限值时各个信号波形。两种情况下，CH4通道波形均出现高、低电平的变化。高电平说明三相电流和在限值内；低电平说明三相电流和已超出限值，即认为三相和不平衡，此时发光二极管被点亮示警。

仿真试验结果验证了本设计是正确可行的。当发生三相电流和超限即发生三相电流不平衡时，设计人员可方便地获知该故障，以便采取措施，保证人员安全，防止控制器本身及其它设备的损坏。

3　结束语

为确保电动汽车电机控制器使用过程中的安全性和可靠性，本文通过设计一种三相电流不平衡检测电路，对其中的电流传感器选型及电路、三相滤波电路、三相电流反相求和电路、上/下限比较电路及发光二极管报警电路做了具体的设计，并且通过仿真试验，验证了该检测电路的可行性，提高了电动汽车用电机控制器的使用安全性。

［1］陈宗璋，吴振军.电动汽车现状与发展趋势［J］.电动汽车技术，2008，20（3）：2-3.

［2］陈一平.车载智能快速充电机的设计与研究［D］.天津：天津大学，2008.

［3］段志刚.三相三线输入缺相或不平衡的检测方法以及电路：中国，CN101685120B［P］.2011-11-02.

［4］邢起义.一种用于变频器的三相电流检测电路：中国，102981042A［P］.2013-03-20.

［5］邱关源.电路［M］.北京：高等教育出版社，1999.

［6］陈坚.电力电子学-电力电子变换和控制技术［M］.北京：高等教育出版社，2002.

［7］黄立培.变频器应用技术及电动机调速［M］.北京：人民邮电出版社，2001.

［8］洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真［M］.北京：机械工业出版社，2005.

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

国家科技支撑计划课题（No.2014BAG06B00）。

赵圣宝（1984-），男，助理工程师；研究方向：电力电子与电力传动。