浅析电机驱动控制器中的电流检测

1、电动汽车电机驱动控制器发展趋势

随着我国新能源汽车的高速发展，以及全球对环境保护和可持续发展的重视，新能源电动汽车市场呈现出快速增长的态势。根据中汽协数据显示，2023年中国新能源汽车产销分别为958.7万辆和949.5万辆，同比增长35.8%和37.9%，市场占有率已经达到31.6%。新能源电动汽车市场的持续高涨，将带动电机驱动控制器装机量快速提升。预计到2029年，全球电动汽车电机控制器市场规模将达到数千亿人民币的规模，年复合增长率保持在较高的水平。

在中国市场，随着新能源汽车产业政策的不断完善和新能源汽车市场的不断扩大，消费者对新能源汽车的续航里程、安全性能等方面要求的提高，市场对电机驱动控制器的性能和质量要求也不断提高。

新能源电动汽车电驱动结构是电动汽车动力系统的核心部分，主要由驱动电机、控制器和变速器三大核心部件组成。电机驱动控制器接受整车控制器（VCU）的指令，通过IGBT模块的开关状态，将动力电池提供的直流电转换成交流电，供给驱动电机使用。同时，通过监测传感器信号和电路状态，实现对电机和控制电路的实时保护。如图1 电动汽车电驱动系统结构。

图1 电动汽车电驱动系统结构

2、电机驱动控制器电路结构

电机驱动控制器由低压和高压部分组成，通常包括功率电路、控制电路、传感器接口和保护电路等。功率电路负责将电池的直流电转换为电机所需的交流电，核心部件是逆变器，通常采用IGBT或SiC MOSFET等功率半导体器件。控制电路则负责实施电机控制算法，如矢量控制或直接转矩控制，以实现精确的电机转速和转矩控制。传感器接口则用于接收电机和环境变量的反馈信号，如电流、电压、温度等，以便于实现闭环控制。保护电路则包括过流、过压、过热等保护功能，确保系统的安全稳定运行。电路结构如图2。

2.1 低压部分

低压部分主要包括以下模块：

输入/输出接口电路：负责外部输入信号与控制器主板的转换连接，以及控制器主板输出信号与外部设备的转换连接。

控制主板：与整车控制器（VCU）通信，对旋变传感器供电并分析旋变信号，控制IGBT模块，监测高压直流母线电流、IGBT模块温度及高压插头连接情况等。

运算器与存储器：处理控制算法和存储相关数据。

传感器：电流传感器、电压传感器和温度传感器，用于监测电机和控制器的工作状态并提供保护和控制。

辅助电源：为控制电路提供必要的电源支持。

2.2 高压部分

高压部分主要包含以下模块：

IGBT模块，绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块是电机控制器的核心部件，负责将直流电转换成三相交流电，并控制电机的转速和转动方向。在车辆减速时，还能回收能量，将三相交流电转换成高压直流电，对动力电池进行充电。

超级电容：与高压直流母线并联，作用是在电机启动时保持电压稳定，确保电机平稳启动。

放电电阻：用于在需要时快速放电，保护电路安全。

直流高压插接器与UVW插接器：负责高压电路的连接与断开，确保电流和电压的稳定传输。

2.3 三相逆变器拓扑结构

以新能源电动汽车中最常用的三相逆变桥结构为例，三相逆变器拓扑结构是交流电机驱动控制器的常用结构。它将直流电转换为三相交流电，供给电机使用。

如图2，三相逆变桥结构通常由六个开关元件组成（IGBT模块），分为三组，每组控制一相输出。通过控制这些开关元件的通断状态，可以产生三相交流电，其频率和幅值可调，从而控制电机的转速和转矩。

三相逆变桥拓扑结构能够产生平滑的三相交流电，适用于高性能的交流电机控制场景。比如电动汽车领域的交流电机驱动控制器。同时，随着新能源电动汽车的发展，对电机驱动控制器的集成化要求越来越高。集成化电机驱动控制器将电机控制器、功率变换器、传感器等原件集成在一起，形成紧凑且高效的驱动系统。

图2 电机驱动控制器三相逆变桥结构图

3、三相逆变结构电机驱动控制器电流检测要求及方案

3.1三相逆变桥电机驱动控制器电流检测要求及电流检测点

三相逆变桥结构电机驱动控制器的电流检测是至关重要的，它们用于实时监测和控制电机的运行状态，确保电机能够高效、稳定工作。在三相逆变桥结构电机驱动控制器中，通过准确检测电机的相电流，可以实现对电机转矩、转速的精确控制，同时监测电流是否超过额定值，防止电机过载或短路等故障发生。

通常来说，在三相逆变桥结构电机驱动系统中，需要在三相逆变器输出端或者直流母线侧做电流检测。

三相逆变器输出端：选择在三相逆变器输出端，即电机输入端，是因为逆变后输出电流直接反映了电机是实际运行电流，通过在每个输出相上安装电流传感器，可以实时掌握电机的运行状态，用于电机的闭环控制、故障诊断和过载保护。

直流母线侧：为了简化系统结构和降低成本，也可以选择在直流母线侧进行电流检测。这种方法需要采用特殊的电流检测算法和信号处理技术，从而准确计算出电机的三相电流。

图3 电机逆变器结构

3.2三相逆变桥电机驱动控制器电流检测方案

 在电机驱动控制器电路中，电流检测常用的技术有：1.采样电阻；2.霍尔电流传感器；3.电流互感器；4.磁通门。在逆变电路中，通常使用是基于霍尔效应、霍尔元件的霍尔电流传感器。霍尔电流传感器具有测量范围广，响应速度快，测量精度高，动态性能好，工作频带宽，可靠性高等优点，使用霍尔传感器检测电流最大的优势是霍尔电流传感器通过磁场感应测量电流，无需与被测电路直接接触，同时，原边电路与副边电路之间有良好的电气隔离，因此不会对被测电路造成干扰和损伤，提高了系统的安全性和可靠性。

霍尔传感器从原理上可分为两大类，开环霍尔元件和闭环霍尔元件，其测量原理如下图所示：

图4 霍尔元件原理图

开环霍尔元件直接检测由待测电流激发出的磁场磁感应强度；闭环霍尔元件则是在磁环上又缠绕了一组线圈，其中电流通过反馈确定，以保证最终磁环中的磁感应强度为0，这样通过测量线圈中电流的大小即可推算出待测电流的大小。闭环霍尔元件与开环霍尔元件相比，其检测精度较高，并且在响应时间、带宽等指标上也优于开环霍尔元件。

审核编辑 黄宇