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2019-08-22 17:05:47

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 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:


c.jpg

  在实际电路中电阻电容取值为R=100 kΩ,C=1μF,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。

  

  
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,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构成比较电路,输出送到单片机PWM模块的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内部叩比较器动作,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,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。

  

  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。

  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,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

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