無刷直流電機的保護電路

摘要：為了使無刷直流電機長期穩(wěn)定運行，采用加保護電路的方法使其正常工作，保護電路主要由欠壓保護、過流保護、短路保護等組成，在軟件里設置電壓、電流的閾值，直接對電壓、電流進行檢測并產(chǎn)生相應的保護，以免對電路和電機造成損害，并且做了相應的欠壓、過壓、過流測試實驗。實踐應用表明，該設計的幾種方案切實可行，能夠在異常情況下及時對電機做出保護動作。
關鍵詞：無刷直流電機；欠壓保護；過壓保護；過流保護

0 引言
    電機廣泛應用于人們的生產(chǎn)、生活及科研等各個領域，因此各種類型的電機保護裝置應運而生，如欠壓保護、過壓保護及過流保護等。這些保護裝置相互獨立，不僅安裝麻煩，總體生產(chǎn)成本高，而且在電機正常運行過程中，還要消耗一定的電能，造成能源浪費。其實，上述保護裝置，歸根到底都是預防電機因自身過熱而燒毀。本文給出幾種電機的保護方案，它不僅響應速度快，控制可靠，而且大大地降低了保護裝置的生產(chǎn)成本。該保護電路與傳統(tǒng)的保護電路相比，省去了熱繼電器、交流接觸器等保護裝置的能耗，與電機為一體。經(jīng)測試驗證，效果良好。

1 電流檢測原理
    要實現(xiàn)過流保護，首要的任務是檢測電機的電流。通常有2種檢測電流的方法：
    (1)小阻值無感采樣電阻。通常采用康銅絲或者貼片件，這是一種廉價的方案，但是要注意采樣電阻阻值的選取，功率要足夠大，同時電阻的電感要小，以排除感抗在電阻兩端引起的電壓降。
    (2)霍爾電流傳感器。適合驅動開發(fā)，采用LEM公司的LA28-NP霍爾電流傳感器的電流測量，它的優(yōu)點是精度高，可靠性高。
    在電流采樣的位置上也有2種方法可以選擇：
    (1)相電流采樣。將采樣電阻或者霍爾電流傳感器置于每一相，假設三相電流分別為ia，ib和ic，又因為無刷電機的三相電流有如下關系：ia+ib+ic=0，所以只要檢測出無刷電機中兩相電流就可以得到另一相的電流信息。
    (2)母線電流采樣。一般是將采樣電阻或者電力傳感器置于母線負側進行電流采樣。
    下面介紹一種基于LEM霍爾電流傳感器采樣母線電流的方法，該方法精度高，可靠性高。
    將霍爾傳感器LA28置于母線負側到地之間進行電流檢測，LA28將檢測到的初級電流按1 000：1的比例進行縮小，得到次級電流，次級電流經(jīng)過I／V電路之后轉化為方便A／D(模／數(shù)轉換模塊)采集的電壓量，但是I／V輸出的電壓信號含有豐富的PWM斬波的高次諧波分量，所以如果直接送單片機的A／D口，會檢測不到電壓信息，因此需要加信號調理電路，即將I／V電路得到的電壓送入巴特沃思(Butterworth)二階低通濾波器進行低通濾波。經(jīng)過低通濾波之后可以將高次諧波分量濾除，進而得到直流分量，同時為了便于A／D口采集，將濾波后的小電壓信號進行比例放大，之后送入A／D口進行檢測。這個硬件電路示意圖如圖1所示。

    I／V電路如圖2所示。

    圖3給出了二階低通濾波器的設計方法。實際設計時，使R1=R2，C1=2C2，可以實現(xiàn)-40 dB／10倍頻的頻率響應。其截至頻率的計算公式為：
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    在實際電路中電阻電容取值為R=100 kΩ，C=1μF，截至頻率f=1．126 Hz，從而將方波電壓信號的中高次諧波分量濾除，進而得到平穩(wěn)的直流分量。

    同相和反向比例電路是運放最典型的應用。經(jīng)低通濾波之后出來的直流電壓信號，其幅值比較低，所以要經(jīng)過同相比例運算放大電路放大，進行電壓放大，便于單片機的A／D口進行采集。圖4中D22，D23為箝位二極管，保持輸入到單片機A／D口的電壓在0～5 V范圍之內(nèi)，選用1N4148即可。

2 電壓檢測原理
    線電壓檢測電路的設計與電流檢測電路的設計大體相同，具體原理參照電流檢測原理。線電壓檢測硬件的整體電路結構圖如圖5所示。

3 保護方案
    本文提出的保護方案主要是針對以IR2136芯片作為電機驅動器的電機，因為它不但實現(xiàn)了一套完整的無刷直流電動機驅動，而且它還集成了自身工作電源欠壓檢測器，檢測到芯片的Vcc或Vbs欠壓時能關閉高端MOSFET，防止MOS管長時間工作在高功耗狀態(tài)下。[!--empirenews.page--]
3．1 過流保護方案
    過流保護方案共有3套，其中包括兩套硬件過流方案和一套軟件過流方案。
    (1)電流檢測電路和LM311構成比較電路，輸出送到單片機PWM模塊的FLTA進行故障檢測，如果FLTA引腳為低電平，則PWM模塊硬件關斷PWM輸出。該過流保護為單片機集成的硬件級保護，響應速度快。
    (2)電流檢測電路輸出電壓經(jīng)過分壓之后送到IR2136的ITRIP引腳，如果ITRIP引腳電壓高于0．5 V，則引起IR2136內(nèi)部叩比較器動作，F(xiàn)AULT引腳輸出低電平，RCIN引腳連接的電阻電容構成RC延時機制，延時之后過流狀態(tài)自動清除。因為FAULT在過流和自身欠壓的情況下都會變?yōu)榈碗娖?。區(qū)別在于：過流情況下，F(xiàn)AULT引腳的電平時高時低，而自身欠壓的狀態(tài)下，F(xiàn)AULT會一直輸出低電平。該過流保護為IR2136集成的硬件級保護，響應速度快。
    (3)單片機設置軟件級的過流保護程序代碼，通過A／D口采集電流檢測電路輸出電壓，以判斷是否過流。這屬于軟件級別的過流保護，響應速度較硬件級別保護慢，若在程序跑飛的情況下不能提供過流保護。
3．1．1 方案一
    電流檢測電路配合LM311構成過流檢測電路如圖6所示。

    正常情況下，在電流檢測電路中，電路輸出的電壓信號(接到LM311的反相輸入端)小于電阻分壓電路輸出電壓(接到LM311的同相輸入端)，LM311輸出高電平，電路無動作；若發(fā)生過流時，電路輸出的電壓信號(接到LM311的反相輸入端)大于電阻分壓電路輸出電壓(接到LM311的同相輸入端)，LM311輸出低電平，當單片機PWM模塊的FLTA檢測到低電平之后，設置PWM輸出無效電平(在此應用中PWM有效電平為低電平，無效電平為高電平)從而使電機停轉。
    電阻R42提供正反饋構成滯回比較器，可以為整個電路起到50 mV的抗噪聲能力；分壓電阻采用滑動變阻器，從而可以方便地設置過流門限。要注意的是：因為電阻分壓電路直接接到LM311的輸入端，而認為LM311的輸入端電阻是無限大的，所以不會產(chǎn)生負載效應，可以放心使用。
3．1．2 方案二
    IR2136集成的過流檢測功能如圖7所示。

    如果電壓值小于0．5 V，則電路正常工作；此時連接到ITRIP的內(nèi)部比較器輸出0(低電平)，因為RCIN外接RC延時電路的原因，電容充電至1(高電平)，所以此時SR鎖存器S=0，R=1，根據(jù)SR鎖存器的特性表，不管當前狀態(tài)如何，SR鎖存器都輸出0，表示沒有過流發(fā)生。
    如果電壓值大于0．5 V，則會引發(fā)IR2136內(nèi)部電路一系列動作。具體分析如下，ITRIP引腳連接的比較器輸出1(高電平)，經(jīng)過輸入噪聲濾波器確認不是由噪聲引起的誤動作之后，送到SR鎖存器的S端，即此時S端為1；同時比較器輸出的1(高電平)加到與RCIN相連的MOSFET柵極，從而引發(fā)MOSFET漏極和源極導通，即RCIN連接到低，而RCIN在外部還連接了RC延時電路，如圖8所示。
    過流之前，電容被充電至Vcc，并連接到RCIN，但是過流發(fā)生之后RCIN內(nèi)部通過MOSFET連接到地，所以電容沿著箭頭所示路徑放電。此時RCIN引腳為0(低電平)，RCIN又連接到SR鎖存器的R端，所以過流發(fā)生時，SR鎖存器的S=1，R=0。根據(jù)所學的SR鎖存器特性表，S=1，R=0，現(xiàn)態(tài)Q=0，那么鎖存器輸出1(高電平)，表示有過流情況發(fā)生。鎖存器輸出分為兩路(如箭頭所示)，一路使FAULT輸出低電平，F(xiàn)AULT可以接到單片機各種檢測端口進行相應的過流處理；另一路關斷上橋臂的3個MOS管，從而使電機停轉實施保護。
3．1．3 單片機固件軟件級過流保護
    單片機軟件中設定好過流門限數(shù)值之后，軟件通過A／D實時采集電流檢測電路輸出的電壓信號，并解算得到對應的電流值，與過流保護門限值進行比較。如果實時電流值大于過流門限值，則執(zhí)行相應的電機保護動作；如果實時電流值小于過流門限值，則繼續(xù)采集電流值進行比較，以此循環(huán)。[!--empirenews.page--]
    軟件流程如圖9所示。

3．2 過壓保護
    線電壓檢測電路的設計與電流檢測電路的設計大體相同。過壓：檢測直流母線電壓，如果高于上限電壓值，則發(fā)送警告信息幀，并停止驅動電機。過壓保護如圖10所示。
    電路簡單實用，直接檢測母線電壓，如果電壓高于程序中的設定值，則做出相應的保護動作。在軟件編程的時候采用了查詢法，即只有在進行電壓檢測的程序段中打開A／D，檢測中斷標志，然后讀數(shù)并返回電壓值，最后再關A／D，這樣不用在整個程序執(zhí)行過程中一直打開A／D采集模塊，從而提高了程序執(zhí)行的效率。
3．3 欠壓保護
    欠壓：檢測直流母線電壓，如果低于下限電壓值，則發(fā)送警告幀，并停止驅動電機，以保護電池。
    欠壓保護：第一套方案和上面的過壓保護過程類似；第二套方案使用了IR2136內(nèi)部集成的自身工作電源檢測器。從IR2136內(nèi)部原理框圖可以看出，當Vcc欠壓時，F(xiàn)AULT輸出低電平，同時3個上橋臂的MOS管被關斷。

4 實驗測試
    在實驗室對設計制成的電路板進行了測試。測試條件為：電機與直流母線電壓均為48 V(DC)，負載電機為750 W無刷直流電動機，PWM斬波頻率為10 kHz。
     圖11便是用示波器觀察到I／V電路的電壓信號波形。通過電壓信號可以看出，電流信號的波形為方波，同時方波中含有豐富的PWM高次諧波分量，所以在送至單片機的A／D口之前，需要進行信號調理。

    圖12是調整LPF截至頻率為f=1．126 Hz之后，放大8倍的電壓波形。在500 mV下，PWM中點的電壓信號紋波很小，符合設計標準。

5 結語
    根據(jù)本文內(nèi)容設計并實現(xiàn)的無刷直流電動機保護電路，簡單可靠，效果良好，可以為交流調速系統(tǒng)、直線電機控制、開關磁阻、電機控制、USP等的研究提供參考。