無(wú)刷直流電機(jī)高精度采樣保護(hù)電路設(shè)計(jì)

　　摘要

　　本文設(shè)計(jì)了一種高精度采樣及保護(hù)電路，該電路可以對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)工作時(shí)的三相電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，以便于控制系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制，并對(duì)電機(jī)和控制系統(tǒng)快速實(shí)施保護(hù)。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了該電路精度高、可靠性好，可以有效的保障控制系統(tǒng)和電機(jī)的正常運(yùn)行。

　　在無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中，電流采樣及保護(hù)電路作為其中的一個(gè)反饋環(huán)節(jié)，作用是對(duì)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的電流進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)采集，經(jīng)過(guò)處理后，把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制系統(tǒng)可以識(shí)別的小電壓信號(hào)，讓控制系統(tǒng)可以做出相應(yīng)的控制和保護(hù)動(dòng)作。由于電機(jī)電流是交流電流，因此電流采樣及保護(hù)電路需要具備整流功能，普通整流電路的核心元件是具有單向?qū)щ娦阅艿亩O管，通常使用1個(gè)、2個(gè)或4個(gè)二極管組成半波、全波或者橋式整流電路。但二極管在小信號(hào)時(shí)表現(xiàn)為非線(xiàn)性，這將使整流的波形產(chǎn)生失真（小信號(hào)部分），更為嚴(yán)重的是，二極管存在死區(qū)電壓，在輸人信號(hào)小于死區(qū)電壓時(shí)，二極管并未導(dǎo)通，因此使輸出信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重畸變，引起誤差，小信號(hào)時(shí)這種誤差將不可忽略。為了提高精度，文中利用集成運(yùn)放的放大作用和深度負(fù)反饋產(chǎn)生的特性來(lái)克服二極管的非線(xiàn)性造成的誤差，為某型號(hào)無(wú)刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)了一種可靠性高、精度高的采樣保護(hù)電路。

　　1 高精度半波整流電路

　　整流電路是把正、負(fù)交變的電壓轉(zhuǎn)換為單極性電壓的電路。本文的半波高精度整流電路是在比例放大電路中加入二極管，利用二極管的單向?qū)щ娦詫?shí)現(xiàn)正副兩半周內(nèi)引入不同深度的負(fù)反饋。按這種思路構(gòu)成的半波高精度整流電路如圖1所示。

圖1 半波高精度整流電路

　　在ui》0期間（0～t1、t2～t3）。當(dāng)ui還很小時(shí)，D1和D2均截止，運(yùn)放處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)很大。因此ui只需稍大，就會(huì)使u0‘足夠大，且為正值。只要u0’大于0.7 V，就會(huì)使D1導(dǎo)通，而D2截止（a點(diǎn)為零電位），因此D1和Rf串聯(lián)引入了適度的負(fù)反饋，這時(shí)的電路相當(dāng)于反相比例放大電路，因此輸出為u0=-Rf/R1 * ui。輸出u0與輸入ui成比例關(guān)系，u0與波形-ui的形狀相同，但按一定的比例放大或者縮小了，若R1=Rf，則u0=-ui。由以上分析可知，即使輸入電壓ui小于二極管的起始導(dǎo)通電壓，仍有-Rf/R1輸出。

　　在ui《0期間（t1～t2）。當(dāng)|ui|還很小時(shí)，D1和D2均為導(dǎo)通，這時(shí)運(yùn)算放大器處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，其開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)很大，因此|ui|只需稍大一些，運(yùn)放輸出u0’就會(huì)很大，且為負(fù)值，這使二極管D1截止、D2導(dǎo)通，D2的導(dǎo)通給運(yùn)放引入了深度的負(fù)反饋。由于a點(diǎn)電位為零（虛地），故u0’≈-0.7 V;而D1截止，且a點(diǎn)電位為零，故u0=0，即u0端波無(wú)波形。整個(gè)過(guò)程如圖2所示。

圖2 半波整流波形圖

　　例如假設(shè)輸入信號(hào)的頻率為50 Hz，在該頻率下運(yùn)放的開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)為5x104，二極管的起始導(dǎo)通電壓為0.5V，則最小整流電壓（即輸入信號(hào)）僅為10μA。也就是說(shuō)只要輸入信號(hào)大于10 μA，整流器就進(jìn)入正常工作狀態(tài);而對(duì)于普通二極管半波整流器，輸入電壓必須大于0.5 V（5×105μV）才能正常工作，其輸入電壓是前者的5萬(wàn)倍，可見(jiàn)該電路大大提高了整流精度。圖3為該整流電路的傳輸特性，它是一條過(guò)原點(diǎn)斜率為-Rf/R1的直線(xiàn)。

圖3 整流電路的傳輸特性

　　2 電流采樣及保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

　　2.1 霍爾傳感器

　　霍爾電流傳感器是一種先進(jìn)的、能隔離主電路回路和電子控制電路的電檢測(cè)元件。它綜合了互感器和分流器的所有優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又克服了互感器和分流器的不足（互感器只適用于50 Hz工頻測(cè)量;分流器無(wú)法進(jìn)行隔離測(cè)量），可測(cè)量任意波形的電流，精度高，動(dòng)態(tài)性能好，工作頻帶寬，本文中的霍爾傳感器采用萊姆（lem）公司的LF205-S，該型傳感器的最大電流測(cè)量范圍是：±200 A，有效測(cè)量范圍是±100 A，當(dāng)測(cè)量電流在有效范圍之類(lèi)時(shí)，輸出電壓是：±4 V，其測(cè)量精度達(dá)到1%，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于7μs，跟蹤速度di/dt高于50A/μs。

　　2.2 TL082雙運(yùn)算放大器

　　TL082是一種通用的J—FET雙運(yùn)算放大器。其特點(diǎn)有：較低的輸入偏置和偏移電流;輸出設(shè)有短路保護(hù);輸入級(jí)具有較高的輸入阻抗內(nèi)建頻率補(bǔ)償電路，在電流保護(hù)電路設(shè)計(jì)中，使用TL082構(gòu)成高精度半波整流電路和加法器，而由于TL082為雙運(yùn)算放大器，所以節(jié)省了控制板的空間，使得電路的設(shè)計(jì)更加的簡(jiǎn)潔和精巧。

　　2. 3 TL431三段可編程并聯(lián)穩(wěn)壓二極管

　　TL431是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意地設(shè)置到從Vref（2.5 V）到36 V范圍內(nèi)的任何值（如圖3）。該器件的典型動(dòng)態(tài)阻抗為0.2 Ω，在很多應(yīng)用中可以用它代替齊納二極管，輸出為一個(gè)固定電壓值，計(jì)算公式是：Vout=（R1+R2）x2.5/R2

圖4 TL431恒壓5V輸出電路圖

　　當(dāng)R1取值為0的時(shí)候，R2可以省略，在本文中，使用TI431構(gòu)成恒壓電壓源5 V，給比較器供電。

　　2.4 采樣檢測(cè)及保護(hù)電路的實(shí)現(xiàn)

　　由于霍爾傳感器的體積相對(duì)較大，所以本文僅僅使用兩個(gè)霍爾電流傳感器對(duì)電機(jī)A、C兩相繞組電流進(jìn)行檢測(cè)，將A、C相中的-100 A～100 A大電流轉(zhuǎn)化為-4 V～4 V的小電壓信號(hào)，再根據(jù)無(wú)刷直流電機(jī)三相電流的特性IA+IB+IC=0，計(jì)算得出IB=-（IA+IC），因此B相電流可以通過(guò)對(duì)A、C相求和反相得到，從而可以減少霍爾電流傳感器的使用數(shù)量，縮小體積，削減成本。如圖5所示。

圖5 B相電流的實(shí)現(xiàn)

　　再得到B相電流以后，分別對(duì)A、B、C三相相使用TL082構(gòu)成的高精度半波整流模塊進(jìn)行半波整流，再將整流過(guò)的A、B、C三相電壓信號(hào)求和反相，得到此時(shí)進(jìn)入功率管電流的瞬時(shí)值所對(duì)應(yīng)的電壓值。

圖6 無(wú)刷直流電機(jī)電流采樣保護(hù)電路結(jié)構(gòu)圖

　　在電機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，該電路能實(shí)時(shí)測(cè)量電機(jī)的電流，并發(fā)出兩路信號(hào)，一路輸入到DSP的ADC模塊中去，采樣電機(jī)電流的數(shù)字值，從而可以方便的在DSP中實(shí)行電流的閉環(huán)PID調(diào)節(jié)。

　　另一路送到比較電路中，然后DSP采用了兩種方式來(lái)對(duì)電機(jī)進(jìn)行保護(hù)。一種是限流保護(hù)，當(dāng)電流增大超過(guò)限流電流62.5 A（對(duì)應(yīng)電壓值為2.5 V）時(shí)，保護(hù)電路向CPLD發(fā)出限流信號(hào)，進(jìn)而使控制芯片DSP啟動(dòng)相應(yīng)的限流程序進(jìn)行操作，調(diào)節(jié)PWM的占空比，來(lái)改變實(shí)際加載到電機(jī)兩端的電壓，改變電流大小;另一種是停機(jī)保護(hù)，如果電流由于某些原因，繼續(xù)增大到停機(jī)電流80 A（對(duì)應(yīng)電壓值為3.2 V）時(shí)，DSP就會(huì)啟動(dòng)停機(jī)程序，立即關(guān)斷所有的功率管，電機(jī)馬上停止運(yùn)行，這樣可以防止由于電流過(guò)大而引起的對(duì)功率管或者電機(jī)的損壞，從而提高系統(tǒng)的可靠性。

　　2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　電流采樣及保護(hù)電路實(shí)驗(yàn)波形如圖7所示。

圖7 采樣電路實(shí)驗(yàn)波形

　　在圖7中通道1輸入A相經(jīng)過(guò)電流傳感器后的波形曲線(xiàn)，通道2輸入C相經(jīng)過(guò)電流傳感器后的波形曲線(xiàn)，通道1和通道2相位相差120。，幅值，通道3為A、B、C三相信號(hào)經(jīng)過(guò)求和反相后的波形，平均幅值為1.48 V，符合理論分析結(jié)果。

　　3 結(jié)論

　　該電路利用了放大器的原理提出了一種高精度電流采樣的方法，并且結(jié)合了過(guò)流保護(hù)、停機(jī)保護(hù)的功能，從而能保障無(wú)刷直流電機(jī)的安全運(yùn)行。目前該電路已經(jīng)應(yīng)用于某型號(hào)無(wú)刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)中，實(shí)際應(yīng)用中也證明這個(gè)電路可以對(duì)電機(jī)的實(shí)時(shí)電流進(jìn)行高精度檢測(cè)采樣并且及時(shí)、可靠的保護(hù)好電機(jī)。