摘要：為了使無刷直流電機(jī)長期穩(wěn)定運(yùn)行，采用加保護(hù)電路的方法使其正常工作，保護(hù)電路主要由欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、短路保護(hù)等組成，在軟件里設(shè)置電壓、電流的閾值，直接對(duì)電壓、電流進(jìn)行檢測并產(chǎn)生相應(yīng)的保護(hù)，以免對(duì)電路和電機(jī)造成損害，并且做了相應(yīng)的欠壓、過壓、過流測試實(shí)驗(yàn)。實(shí)踐應(yīng)用表明，該設(shè)計(jì)的幾種方案切實(shí)可行，能夠在異常情況下及時(shí)對(duì)電機(jī)做出保護(hù)動(dòng)作。
關(guān)鍵詞：無刷直流電機(jī)；欠壓保護(hù)；過壓保護(hù)；過流保護(hù)

0 引言
    電機(jī)廣泛應(yīng)用于人們的生產(chǎn)、生活及科研等各個(gè)領(lǐng)域，因此各種類型的電機(jī)保護(hù)裝置應(yīng)運(yùn)而生，如欠壓保護(hù)、過壓保護(hù)及過流保護(hù)等。這些保護(hù)裝置相互獨(dú)立，不僅安裝麻煩，總體生產(chǎn)成本高，而且在電機(jī)正常運(yùn)行過程中，還要消耗一定的電能，造成能源浪費(fèi)。其實(shí)，上述保護(hù)裝置，歸根到底都是預(yù)防電機(jī)因自身過熱而燒毀。本文給出幾種電機(jī)的保護(hù)方案，它不僅響應(yīng)速度快，控制可靠，而且大大地降低了保護(hù)裝置的生產(chǎn)成本。該保護(hù)電路與傳統(tǒng)的保護(hù)電路相比，省去了熱繼電器、交流接觸器等保護(hù)裝置的能耗，與電機(jī)為一體。經(jīng)測試驗(yàn)證，效果良好。

1 電流檢測原理
    要實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)，首要的任務(wù)是檢測電機(jī)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(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，LA28將檢測到的初級(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。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：
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    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 電壓檢測原理
    線電壓檢測電路的設(shè)計(jì)與電流檢測電路的設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)圖如圖5所示。
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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器，檢測到芯片的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，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
    電流檢測電路配合LM311構(gòu)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(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)。[!--empirenews.page--]
    軟件流程如圖9所示。

3．2 過壓保護(hù)
    線電壓檢測電路的設(shè)計(jì)與電流檢測電路的設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)電機(jī)。過壓保護(hù)如圖10所示。
    電路簡單實(shí)用，直接檢測母線電壓，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)行電壓檢測的程序段中打開A／D，檢測中斷標(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)測試
    在實(shí)驗(yàn)室對(duì)設(shè)計(jì)制成的電路板進(jìn)行了測試。測試條件為：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。