無刷直流電機的保護電路方案 - 全文

　　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：

　　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，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。

　　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)。

　　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內部集成的自身工作電源檢測器。從IR2136內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。