無刷直流電機高精度采樣保護電路設計

　　摘要

　　本文設計了一種高精度采樣及保護電路，該電路可以對無刷直流電機工作時的三相電流進行實時采集，以便于控制系統(tǒng)進行閉環(huán)控制，并對電機和控制系統(tǒng)快速實施保護。最后通過實驗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)和電機的正常運行。

　　在無刷直流電機控制系統(tǒng)中，電流采樣及保護電路作為其中的一個反饋環(huán)節(jié)，作用是對電機運行時的電流進行實時檢測采集，經(jīng)過處理后，把電流信號轉(zhuǎn)換為控制系統(tǒng)可以識別的小電壓信號，讓控制系統(tǒng)可以做出相應的控制和保護動作。由于電機電流是交流電流，因此電流采樣及保護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、2個或4個二極管組成半波、全波或者橋式整流電路。但二極管在小信號時表現(xiàn)為非線性，這將使整流的波形產(chǎn)生失真（小信號部分），更為嚴重的是，二極管存在死區(qū)電壓，在輸人信號小于死區(qū)電壓時，二極管并未導通，因此使輸出信號產(chǎn)生嚴重畸變，引起誤差，小信號時這種誤差將不可忽略。為了提高精度，文中利用集成運放的放大作用和深度負反饋產(chǎn)生的特性來克服二極管的非線性造成的誤差，為某型號無刷直流電機設計了一種可靠性高、精度高的采樣保護電路。

　　1 高精度半波整流電路

　　整流電路是把正、負交變的電壓轉(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娦詫崿F(xiàn)正副兩半周內(nèi)引入不同深度的負反饋。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ui還很小時，D1和D2均截止，運放處于開環(huán)狀態(tài)，開環(huán)放大倍數(shù)很大。因此ui只需稍大，就會使u0‘足夠大，且為正值。只要u0’大于0.7 V，就會使D1導通，而D2截止（a點為零電位），因此D1和Rf串聯(lián)引入了適度的負反饋，這時的電路相當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通電壓，仍有-Rf/R1輸出。

　　在ui《0期間（t1～t2）。當|ui|還很小時，D1和D2均為導通，這時運算放大器處于開環(huán)狀態(tài)，其開環(huán)放大倍數(shù)很大，因此|ui|只需稍大一些，運放輸出u0’就會很大，且為負值，這使二極管D1截止、D2導通，D2的導通給運放引入了深度的負反饋。由于a點電位為零（虛地），故u0’≈-0.7 V;而D1截止，且a點電位為零，故u0=0，即u0端波無波形。整個過程如圖2所示。

圖2 半波整流波形圖

　　例如假設輸入信號的頻率為50 Hz，在該頻率下運放的開環(huán)電壓放大倍數(shù)為5x104，二極管的起始導通電壓為0.5V，則最小整流電壓（即輸入信號）僅為10μA。也就是說只要輸入信號大于10 μA，整流器就進入正常工作狀態(tài);而對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5萬倍，可見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，它是一條過原點斜率為-Rf/R1的直線。

圖3 整流電路的傳輸特性

　　2 電流采樣及保護電路的設計

　　2.1 霍爾傳感器

　　霍爾電流傳感器是一種先進的、能隔離主電路回路和電子控制電路的電檢測元件。它綜合了互感器和分流器的所有優(yōu)點，同時又克服了互感器和分流器的不足（互感器只適用于50 Hz工頻測量;分流器無法進行隔離測量），可測量任意波形的電流，精度高，動態(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量范圍是：±200 A，有效測量范圍是±100 A，當測量電流在有效范圍之類時，輸出電壓是：±4 V，其測量精度達到1%，動態(tài)響應時間小于7μs，跟蹤速度di/dt高于50A/μs。

　　2.2 TL082雙運算放大器

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

　　2. 3 TL431三段可編程并聯(lián)穩(wěn)壓二極管

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

圖4 TL431恒壓5V輸出電路圖

　　當R1取值為0的時候，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 采樣檢測及保護電路的實現(xiàn)

　　由于霍爾傳感器的體積相對較大，所以本文僅僅使用兩個霍爾電流傳感器對電機A、C兩相繞組電流進行檢測，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，再根據(jù)無刷直流電機三相電流的特性IA+IB+IC=0，計算得出IB=-（IA+IC），因此B相電流可以通過對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相電流的實現(xiàn)

　　再得到B相電流以后，分別對A、B、C三相相使用TL082構(gòu)成的高精度半波整流模塊進行半波整流，再將整流過的A、B、C三相電壓信號求和反相，得到此時進入功率管電流的瞬時值所對應的電壓值。

圖6 無刷直流電機電流采樣保護電路結(jié)構(gòu)圖

　　在電機的運行過程中，該電路能實時測量電機的電流，并發(fā)出兩路信號，一路輸入到DSP的ADC模塊中去，采樣電機電流的數(shù)字值，從而可以方便的在DSP中實行電流的閉環(huán)PID調(diào)節(jié)。

　　另一路送到比較電路中，然后DSP采用了兩種方式來對電機進行保護。一種是限流保護，當電流增大超過限流電流62.5 A（對應電壓值為2.5 V）時，保護電路向CPLD發(fā)出限流信號，進而使控制芯片DSP啟動相應的限流程序進行操作，調(diào)節(jié)PWM的占空比，來改變實際加載到電機兩端的電壓，改變電流大小;另一種是停機保護，如果電流由于某些原因，繼續(xù)增大到停機電流80 A（對應電壓值為3.2 V）時，DSP就會啟動停機程序，立即關(guān)斷所有的功率管，電機馬上停止運行，這樣可以防止由于電流過大而引起的對功率管或者電機的損壞，從而提高系統(tǒng)的可靠性。

　　2.5 實驗結(jié)果

　　電流采樣及保護電路實驗波形如圖7所示。

圖7 采樣電路實驗波形

　　在圖7中通道1輸入A相經(jīng)過電流傳感器后的波形曲線，通道2輸入C相經(jīng)過電流傳感器后的波形曲線，通道1和通道2相位相差120。，幅值，通道3為A、B、C三相信號經(jīng)過求和反相后的波形，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)合了過流保護、停機保護的功能，從而能保障無刷直流電機的安全運行。目前該電路已經(jīng)應用于某型號無刷直流電機的控制系統(tǒng)中，實際應用中也證明這個電路可以對電機的實時電流進行高精度檢測采樣并且及時、可靠的保護好電機。