【无刷直流电机的保护电路】无刷直流电机
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摘 要：为了使无刷直流电机长期稳定运行，采用加保护电路的方法使其正常工作，保护电路主要由欠压保护、过流保护、短路保护等组成，在软件里设置电压、电流的阈值，直接对电压、电流进行检测并产生相应的保护，以免对电路和电机造成损害，并且做了相应的欠压、过压、过流测试实验。实践应用表明，该设计的几种方案切实可行，能够在异常情况下及时对电机做出保护动作。
关键词：无刷直流电机； 欠压保护； 过压保护； 过流保护
中图分类号：TN919-34 文献标识码：A 文章编号：1004-373X(2011)24-0041-04
Protective Circuit of Brushless DC Motors
YUAN Ti-xun, DONG Sheng-liang, GENG Bing-qun, WEI Tong-an
(School of Information Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)
Abstract： To make the brushless DC motor worked stably for a long time, the method of adding a protective circuit was adopted. The protective circuit is mainly made up of the under-voltage protection, over-current protection and short-circuit protection, etc. The voltage and current threshold values were set in the software to detect the voltage and current directly and generate the appropriate protection to avoid damaging the circuit and motor. The appropriate testing experiments of under-voltage, overvoltage and overcurrent were made as well. A practical application shows that several schemes of the design are feasible and can protect the brushless motors in abnormal condition timely.
Keywords：brushless DC motor; under-voltage protection; overvoltage protection; overcurrent protection
收稿日期：2011-07-13
基金项目：国家“863”计划资助项目（2006AA09Z231）
0 引 言
电机广泛应用于人们的生产、生活及科研等各个领域,因此各种类型的电机保护装置应运而生,如欠压保护、过压保护及过流保护等。这些保护装置相互独立,不仅安装麻烦,总体生产成本高,而且在电机正常运行过程中,还要消耗一定的电能,造成能源浪费。其实,上述保护装置,归根到底都是预防电机因自身过热而烧毁。本文给出几种电机的保护方案，它不仅响应速度快，控制可靠,而且大大地降低了保护装置的生产成本。该保护电路与传统的保护电路相比,省去了热继电器、交流接触器等保护装置的能耗,与电机为一体。经测试验证,效果良好［1-2］。
1 电流检测原理
要实现过流保护，首要的任务是检测电机的电流。通常有2种检测电流的方法：
(1) 小阻值无感采样电阻。通常采用康铜丝或者贴片件，这是一种廉价的方案，但是要注意采样电阻阻值的选取，功率要足够大，同时电阻的电感要小，以排除感抗在电阻两端引起的电压降。
(2) 霍尔电流传感器。适合驱动开发，采用LEM公司的LA28-NP霍尔电流传感器［3-4］的电流测量，它的优点是精度高，可靠性高。
在电流采样的位置上也有2种方法可以选择：
(1) 相电流采样。将采样电阻或者霍尔电流传感器置于每一相，假设三相电流分别为ia，ib和ic，又因为无刷电机的三相电流有如下关系：ia+ib+ic=0，所以只要检测出无刷电机中两相电流就可以得到另一相的电流信息。
(2) 母线电流采样。一般是将采样电阻或者电力传感器置于母线负侧进行电流采样。
下面介绍一种基于LEM霍尔电流传感器采样母线电流的方法，该方法精度高，可靠性高。
将霍尔传感器LA28置于母线负侧到地之间进行电流检测，LA28将检测到的初级电流按1 000∶1的比例进行缩小，得到次级电流，次级电流经过I/V电路之后转化为方便A/D(模/数转换模块)采集的电压量，但是I/V输出的电压信号含有丰富的PWM斩波的高次谐波分量，所以如果直接送单片机的A/D口，会检测不到电压信息，因此需要加信号调理电路，即将I/V电路得到的电压送入巴特沃思（Butterworth）二阶低通滤波器［5］进行低通滤波。经过低通滤波之后可以将高次谐波分量滤除，进而得到直流分量，同时为了便于A/D口采集，将滤波后的小电压信号进行比例放大，之后送入A/D口进行检测。这个硬件电路示意图如图1所示。
I/V电路如图2所示。
图2 I/V电路电路图图
3给出了二阶低通滤波器的设计方法。实际设计时，使R1=R2，C1=2C2，可以实现-40 dB/10倍频的频率响应。其截至频率的计算公式为：f=0.7072πRC 在实际电路中电阻电容取值为R=100 kΩ，C=1 μF，截至频率f=1.126 Hz，从而将方波电压信号的中高次谐波分量滤除，进而得到平稳的直流分量。
图3 ButterWorth二阶低通滤波电路同相和反向比例电路是运放最典型的应用。经低通滤波之后出来的直流电压信号，其幅值比较低，所以要经过同相比例运算放大电路放大，进行电压放大，便于单片机的A/D口进行采集。图4中D22,D23为箝位二极管，保持输入到单片机A/D口的电压在0～5 V范围之内，选用1N4148即可。
2 电压检测原理
线电压检测电路的设计与电流检测电路的设计大体相同，具体原理参照电流检测原理。线电压检测硬件的整体电路结构图如图5所示。
3 保护方案
本文提出的保护方案主要是针对以IR2136芯片作为电机驱动器［6］的电机，因为它不但实现了一套完整的无刷直流电动机驱动，而且它还集成了自身工作电源欠压检测器，检测到芯片的Vcc或Vbs欠压时能关闭高端MOSFET［7］，防止MOS管长时间工作在高功耗状态下。
3.1 过流保护方案
过流保护方案共有3套，其中包括两套硬件过流方案和一套软件过流方案。
(1) 电流检测电路和LM311［8］构成比较电路，输出送到单片机PWM模块［9］的FLTA进行故障检测，如果FLTA引脚为低电平，则PWM模块硬件关断PWM输出。该过流保护为单片机集成的硬件级保护，响应速度快。
(2) 电流检测电路输出电压经过分压之后送到IR2136的ITRIP引脚，如果ITRIP引脚电压高于0.5 V，则引起IR2136内部［10］比较器动作，FAULT引脚输出低电平，RCIN引脚连接的电阻电容构成RC延时机制［11］，延时之后过流状态自动清除。因为FAULT在过流和自身欠压的情况下都会变为低电平。区别在于：过流情况下，FAULT引脚的电平时高时低，而自身欠压的状态下，FAULT会一直输出低电平。该过流保护为IR2136集成的硬件级保护，响应速度快。
(3) 单片机设置软件级的过流保护程序代码，通过A/D口采集电流检测电路输出电压，以判断是否过流。这属于软件级别的过流保护，响应速度较硬件级别保护慢，若在程序跑飞的情况下不能提供过流保护。
3.1.1 方案一
电流检测电路配合LM311构成过流检测电路如图6所示。
图6 LM311构成的电流检测电路正常情况下，在电流检测电路中，电路输出的电压信号（接到LM311的反相输入端）小于电阻分压电路输出电压（接到LM311的同相输入端），LM311输出高电平，电路无动作；若发生过流时，电路输出的电压信号（接到LM311的反相输入端）大于电阻分压电路输出电压（接到LM311的同相输入端），LM311输出低电平，当单片机PWM模块的FLTA检测到低电平之后，设置PWM输出无效电平（在此应用中PWM有效电平为低电平，无效电平为高电平）从而使电机停转。
电阻R42提供正反馈构成滞回比较器，可以为整个电路起到50 mV的抗噪声能力；分压电阻采用滑动变阻器，从而可以方便地设置过流门限。要注意的是：因为电阻分压电路直接接到LM311的输入端，而认为LM311的输入端电阻是无限大的，所以不会产生负载效应，可以放心使用［8］。
3.1.2 方案二
IR2136集成的过流检测功能如图7所示。
如果电压值小于0.5 V，则电路正常工作；此时连接到ITRIP的内部比较器输出0（低电平），因为RCIN外接RC延时电路的原因，电容充电至1（高电平），所以此时SR锁存器［7］S=0,R=1，根据SR锁存器的特性表，不管当前状态如何，SR锁存器都输出0，表示没有过流发生。
如果电压值大于0.5 V，则会引发IR2136内部电路一系列动作。具体分析如下，ITRIP引脚连接的比较器输出1（高电平），经过输入噪声滤波器确认不是由噪声引起的误动作之后，送到SR锁存器的S端，即此时S端为1；同时比较器输出的1（高电平）加到与RCIN相连的MOSFET栅极，从而引发MOSFET漏极和源极导通，即RCIN连接到低，而RCIN在外部还连接了RC延时电路，如图8所示。
过流之前，电容被充电至VCC，并连接到RCIN，但是过流发生之后RCIN内部通过MOSFET连接到地，所以电容沿着箭头所示路径放电。此时RCIN引脚为0（低电平），RCIN又连接到SR锁存器的R端，所以过流发生时，SR锁存器的S=1，R=0。根据所学的SR锁存器特性表［4］，S=1，R=0，现态Q=0，那么锁存器输出1（高电平），表示有过流情况发生。锁存器输出分为两路（如箭头所示），一路使FAULT输出低电平，FAULT可以接到单片机各种检测端口进行相应的过流处理；另一路关断上桥臂的3个MOS管，从而使电机停转实施保护。
3.1.3 单片机固件软件级过流保护
单片机软件中设定好过流门限数值之后，软件通过A/D实时采集电流检测电路输出的电压信号，并解算得到对应的电流值，与过流保护门限值进行比较。如果实时电流值大于过流门限值，则执行相应的电机保护动作；如果实时电流值小于过流门限值，则继续采集电流值进行比较，以此循环。
软件流程如图9所示。
3.2 过压保护
线电压检测电路的设计与电流检测电路的设计大体相同。 过压：检测直流母线电压，如果高于上限电压值，则发送警告信息帧，并停止驱动电机。过压保护如图10所示。
电路简单实用，直接检测母线电压，如果电压高于程序中的设定值，则做出相应的保护动作。在软件编程的时候采用了查询法，即只有在进行电压检测的程序段中打开A/D，检测中断标志，然后读数并返回电压值，最后再关A/D，这样不用在整个程序执行过程中一直打开A/D采集模块，从而提高了程序执行的效率。
3.3 欠压保护
欠压：检测直流母线电压，如果低于下限电压值，则发送警告帧，并停止驱动电机，以保护电池。
欠压保护：第一套方案和上面的过压保护过程类似；第二套方案使用了IR2136内部集成的自身工作电源检测器。从IR2136内部原理框图［10］可以看出，当Vcc欠压时，FAULT输出低电平，同时3个上桥臂的MOS管被关断。
4 实验测试
在实验室对设计制成的电路板进行了测试。测试条件为: 电机与直流母线电压均为48 V(DC)，负载电机为750 W无刷直流电动机，PWM斩波频率为10 kHz。
图11便是用示波器观察到I/V电路的电压信号波形。通过电压信号可以看出，电流信号的波形为方波，同时方波中含有丰富的PWM高次谐波分量，所以在送至单片机的A/D口之前，需要进行信号调理。
图12是调整LPF截至频率为f=1.126 Hz之后，放大8倍的电压波形。在500 mV下，PWM中点的电压信号纹波很小，符合设计标准。
5 结 语
根据本文内容设计并实现的无刷直流电动机保护电路,简单可靠,效果良好，可以为交流调速系统、直线电机控制、开关磁阻、电机控制、USP等的研究提供参考。
参 考 文 献
［1］ 蔡可健.低能耗电机保护电路设计［J］.电机与控制应用,2006(8):15-17.
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［4］ 陈忠.基于DSP的开关磁阻电机速度控制系统［J］.电机技术,2009(4):70-73.
［5］ ［日］远坂俊昭.测量电子电路设计:滤波器篇 [M ].北京:科学出版社,2006.
［6］ 邵瑜,李声晋,芦刚.一种无刷直流电动机的驱动及保护电路设计［J］.机电一体化,2008(2):5-7.
［7］ 童诗白,华成英.模拟电子技术基础［M］.北京:高等教育出版社,2009.
［8］ DENTON J D. Operational amplifiers and linear integrated circuits [M ]. [S. l. ]: McGraw-Hill, 1989.
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［10］ 邱关源.电路［M］.北京:高等教育出版社,2005.
［11］ 吴鹏坤,关振宏.IR21367在无刷直流电机控制中的应用［J］.电子元器件应用,2011(7):105-107.
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