无刷直流电机的保护电路

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

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 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：
[p]
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。
[p]
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。[p]
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。