微特電機(jī)的保護(hù)電路方案

1 電流檢測(cè)原理

　　要實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)，首要的任務(wù)是檢測(cè)電機(jī)的電流。通常有2種檢測(cè)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(jià)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(shí)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(qū)動(dòng)開發(fā)，采用LEM公司的LA28-NP霍爾電流傳感器的電流測(cè)量，它的優(yōu)點(diǎn)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(shè)三相電流分別為ia，ib和ic，又因?yàn)闊o刷電機(jī)的三相電流有如下關(guān)系：ia+ib+ic=0，所以只要檢測(cè)出無刷電機(jī)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(fù)側(cè)進(jìn)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(fù)側(cè)到地之間進(jìn)行電流檢測(cè)，LA28將檢測(cè)到的初級(jí)電流按1 000：1的比例進(jìn)行縮小，得到次級(jí)電流，次級(jí)電流經(jīng)過I/V電路之后轉(zhuǎn)化為方便A/D(模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊)采集的電壓量，但是I/V輸出的電壓信號(hào)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(jī)的A/D口，會(huì)檢測(cè)不到電壓信息，因此需要加信號(hào)調(diào)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(jìn)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(jìn)而得到直流分量，同時(shí)為了便于A/D口采集，將濾波后的小電壓信號(hào)進(jìn)行比例放大，之后送入A/D口進(jìn)行檢測(cè)。這個(gè)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(shè)計(jì)方法。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，使R1=R2，C1=2C2，可以實(shí)現(xiàn)-40 dB/10倍頻的頻率響應(yīng)。其截至頻率的計(jì)算公式為：

　　在實(shí)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(hào)的中高次諧波分量濾除，進(jìn)而得到平穩(wěn)的直流分量。

　　同相和反向比例電路是運(yùn)放最典型的應(yīng)用。經(jīng)低通濾波之后出來的直流電壓信號(hào)，其幅值比較低，所以要經(jīng)過同相比例運(yùn)算放大電路放大，進(jìn)行電壓放大，便于單片機(jī)的A/D口進(jìn)行采集。圖4中D22，D23為箝位二極管，保持輸入到單片機(jī)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(cè)原理

　　線電壓檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)與電流檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)大體相同，具體原理參照電流檢測(cè)原理。線電壓檢測(cè)硬件的整體電路結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

　　3 保護(hù)方案

　　本文提出的保護(hù)方案主要是針對(duì)以IR2136芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電機(jī)，因?yàn)樗坏珜?shí)現(xiàn)了一套完整的無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，而且它還集成了自身工作電源欠壓檢測(cè)器，檢測(cè)到芯片的Vcc或Vbs欠壓時(shí)能關(guān)閉高端MOSFET，防止MOS管長時(shí)間工作在高功耗狀態(tài)下。

　　3.1 過流保護(hù)方案

　　過流保護(hù)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(cè)電路和LM311構(gòu)成比較電路，輸出送到單片機(jī)PWM模塊的FLTA進(jìn)行故障檢測(cè)，如果FLTA引腳為低電平，則PWM模塊硬件關(guān)斷PWM輸出。該過流保護(hù)為單片機(jī)集成的硬件級(jí)保護(hù)，響應(yīng)速度快。

　　(2)電流檢測(cè)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(dòng)作，F(xiàn)AULT引腳輸出低電平，RCIN引腳連接的電阻電容構(gòu)成RC延時(shí)機(jī)制，延時(shí)之后過流狀態(tài)自動(dòng)清除。因?yàn)镕AULT在過流和自身欠壓的情況下都會(huì)變?yōu)榈碗娖?。區(qū)別在于：過流情況下，F(xiàn)AULT引腳的電平時(shí)高時(shí)低，而自身欠壓的狀態(tài)下，F(xiàn)AULT會(huì)一直輸出低電平。該過流保護(hù)為IR2136集成的硬件級(jí)保護(hù)，響應(yīng)速度快。

　　(3)單片機(jī)設(shè)置軟件級(jí)的過流保護(hù)程序代碼，通過A/D口采集電流檢測(cè)電路輸出電壓，以判斷是否過流。這屬于軟件級(jí)別的過流保護(hù)，響應(yīng)速度較硬件級(jí)別保護(hù)慢，若在程序跑飛的情況下不能提供過流保護(hù)。

　　3.1.1 方案一

　　電流檢測(cè)電路配合LM311構(gòu)成過流檢測(cè)電路如圖6所示。

　　正常情況下，在電流檢測(cè)電路中，電路輸出的電壓信號(hào)(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(dòng)作;若發(fā)生過流時(shí)，電路輸出的電壓信號(hào)(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(dāng)單片機(jī)PWM模塊的FLTA檢測(cè)到低電平之后，設(shè)置PWM輸出無效電平(在此應(yīng)用中PWM有效電平為低電平，無效電平為高電平)從而使電機(jī)停轉(zhuǎn)。

　　電阻R42提供正反饋構(gòu)成滯回比較器，可以為整個(gè)電路起到50 mV的抗噪聲能力;分壓電阻采用滑動(dòng)變阻器，從而可以方便地設(shè)置過流門限。要注意的是：因?yàn)殡娮璺謮弘娐分苯咏拥絃M311的輸入端，而認(rèn)為LM311的輸入端電阻是無限大的，所以不會(huì)產(chǎn)生負(fù)載效應(yīng)，可以放心使用。

　　3.1.2 方案二

　　IR2136集成的過流檢測(cè)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(shí)連接到ITRIP的內(nèi)部比較器輸出0(低電平)，因?yàn)镽CIN外接RC延時(shí)電路的原因，電容充電至1(高電平)，所以此時(shí)SR鎖存器S=0，R=1，根據(jù)SR鎖存器的特性表，不管當(dāng)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(huì)引發(fā)IR2136內(nèi)部電路一系列動(dòng)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(rèn)不是由噪聲引起的誤動(dòng)作之后，送到SR鎖存器的S端，即此時(shí)S端為1;同時(shí)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(dǎo)通，即RCIN連接到低，而RCIN在外部還連接了RC延時(shí)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(shí)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(shí)，SR鎖存器的S=1，R=0。根據(jù)所學(xué)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(jī)各種檢測(cè)端口進(jìn)行相應(yīng)的過流處理;另一路關(guān)斷上橋臂的3個(gè)MOS管，從而使電機(jī)停轉(zhuǎn)實(shí)施保護(hù)。

　　3.1.3 單片機(jī)固件軟件級(jí)過流保護(hù)

　　單片機(jī)軟件中設(shè)定好過流門限數(shù)值之后，軟件通過A/D實(shí)時(shí)采集電流檢測(cè)電路輸出的電壓信號(hào)，并解算得到對(duì)應(yīng)的電流值，與過流保護(hù)門限值進(jìn)行比較。如果實(shí)時(shí)電流值大于過流門限值，則執(zhí)行相應(yīng)的電機(jī)保護(hù)動(dòng)作;如果實(shí)時(shí)電流值小于過流門限值，則繼續(xù)采集電流值進(jìn)行比較，以此循環(huán)。

　　軟件流程如圖9所示。

　　3.2 過壓保護(hù)

　　線電壓檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)與電流檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)大體相同。過壓：檢測(cè)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(qū)動(dòng)電機(jī)。過壓保護(hù)如圖10所示。

　　電路簡(jiǎn)單實(shí)用，直接檢測(cè)母線電壓，如果電壓高于程序中的設(shè)定值，則做出相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作。在軟件編程的時(shí)候采用了查詢法，即只有在進(jìn)行電壓檢測(cè)的程序段中打開A/D，檢測(cè)中斷標(biāo)志，然后讀數(shù)并返回電壓值，最后再關(guān)A/D，這樣不用在整個(gè)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(hù)

　　欠壓：檢測(cè)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(qū)動(dòng)電機(jī)，以保護(hù)電池。

　　欠壓保護(hù)：第一套方案和上面的過壓保護(hù)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(cè)器。從IR2136內(nèi)部原理框圖可以看出，當(dāng)Vcc欠壓時(shí)，F(xiàn)AULT輸出低電平，同時(shí)3個(gè)上橋臂的MOS管被關(guān)斷。

　　4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

　　在實(shí)驗(yàn)室對(duì)設(shè)計(jì)制成的電路板進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試條件為：電機(jī)與直流母線電壓均為48 V(DC)，負(fù)載電機(jī)為750 W無刷直流電動(dòng)機(jī)，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(hào)波形。通過電壓信號(hào)可以看出，電流信號(hào)的波形為方波，同時(shí)方波中含有豐富的PWM高次諧波分量，所以在送至單片機(jī)的A/D口之前，需要進(jìn)行信號(hào)調(diào)理。

　　圖12是調(diào)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(diǎn)的電壓信號(hào)紋波很小，符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

　　5 結(jié)語

　　根據(jù)本文內(nèi)容設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的無刷直流電動(dòng)機(jī)保護(hù)電路，簡(jiǎn)單可靠，效果良好，可以為交流調(diào)速系統(tǒng)、直線電機(jī)控制、開關(guān)磁阻、電機(jī)控制、USP等的研究提供參考。