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    微特電機的保護電路方案

    文章出處: 人氣:發表時間:2019-11-26 05:40

      (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。適合驅動開發,采用LEM公司的LA28-NP霍爾電流傳感器的電流測量,它的優點是精度高,可靠性高。

      (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,假設三相電流分別為ia,ib和ic,又因為無刷電機的三相電流有如下關系:ia+ib+ic=0,所以只要檢測出無刷電機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側進行電流采樣。

      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置于母線負側到地之間進行電流檢測,LA28將檢測到的初級電流按1 000:1的比例進行縮小,得到次級電流,次級電流經過I/V電路之后轉化為方便A/D(模/數轉換模塊)采集的電壓量,但是I/V輸出的電壓信號含有豐富的PWM斬波的高次諧波分量,所以如果直接送單片機的A/D口,會檢測不到電壓信息,因此需要加信號調理電路,即將I/V電路得到的電壓送入巴特沃思(Butterworth)二階低通濾波器進行低通濾波。經過低通濾波之后可以將高次諧波分量濾除,進而得到直流分量,同時為了便于A/D口采集,將濾波后的小電壓信號進行比例放大,之后送入A/D口進行檢測。這個硬件電路示意圖如圖1所示。

      圖3給出了二階低通濾波器的設計方法。實際設計時,使R1=R2,C1=2C2,可以實現-40 dB/10倍頻的頻率響應。其截至頻率的計算公式為:

      在實際電路中電阻電容取值為R=100 k,C=1F,截至頻率f=1.126 Hz,從而將方波電壓信號的中高次諧波分量濾除,進而得到平穩的直流分量。

      同相和反向比例電路是運放最典型的應用。經低通濾波之后出來的直流電壓信號,其幅值比較低,所以要經過同相比例運算放大電路放大,進行電壓放大,便于單片機的A/D口進行采集。圖4中D22,D23為箝位二極管,保持輸入到單片機A/D口的電壓在0~5 V范圍之內,選用1N4148即可。

      線電壓檢測電路的設計與電流檢測電路的設計大體相同,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構圖如圖5所示。

      本文提出的保護方案主要是針對以IR2136芯片作為電機驅動器的電機,因為它不但實現了一套完整的無刷直流電動機驅動,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欠壓時能關閉高端MOSFET,防止MOS管長時間工作在高功耗狀態下。

      (1)電流檢測電路和LM311構成比較電路,輸出送到單片機PWM模塊的FLTA進行故障檢測,如果FLTA引腳為低電平,則PWM模塊硬件關斷PWM輸出。該過流保護為單片機集成的硬件級保護,響應速度快。

      (2)電流檢測電路輸出電壓經過分壓之后送到IR2136的ITRIP引腳,如果ITRIP引腳電壓高于0.5 V,則引起IR2136內部叩比較器動作,FAULT引腳輸出低電平,RCIN引腳連接的電阻電容構成RC延時機制,延時之后過流狀態自動清除。因為FAULT在過流和自身欠壓的情況下都會變為低電平。區別在于:過流情況下,FAULT引腳的電平時高時低,而自身欠壓的狀態下,FAULT會一直輸出低電平。該過流保護為IR2136集成的硬件級保護,響應速度快。

      (3)單片機設置軟件級的過流保護程序代碼,通過A/D口采集電流檢測電路輸出電壓,以判斷是否過流。這屬于軟件級別的過流保護,響應速度較硬件級別保護慢,若在程序跑飛的情況下不能提供過流保護。

      正常情況下,在電流檢測電路中,電路輸出的電壓信號(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,電路無動作;若發生過流時,電路輸出的電壓信號(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,當單片機PWM模塊的FLTA檢測到低電平之后,設置PWM輸出無效電平(在此應用中PWM有效電平為低電平,無效電平為高電平)從而使電機停轉。

      電阻R42提供正反饋構成滯回比較器,可以為整個電路起到50 mV的抗噪聲能力;分壓電阻采用滑動變阻器,從而可以方便地設置過流門限。要注意的是:因為電阻分壓電路直接接到LM311的輸入端,而認為LM311的輸入端電阻是無限大的,所以不會產生負載效應,可以放心使用。

      如果電壓值小于0.5 V,則電路正常工作;此時連接到ITRIP的內部比較器輸出0(低電平),因為RCIN外接RC延時電路的原因,電容充電至1(高電平),所以此時SR鎖存器S=0,R=1,根據SR鎖存器的特性表,不管當前狀態如何,SR鎖存器都輸出0,表示沒有過流發生。

      如果電壓值大于0.5 V,則會引發IR2136內部電路一系列動作。具體分析如下,ITRIP引腳連接的比較器輸出1(高電平),經過輸入噪聲濾波器確認不是由噪聲引起的誤動作之后,送到SR鎖存器的S端,即此時S端為1;同時比較器輸出的1(高電平)加到與RCIN相連的MOSFET柵極,從而引發MOSFET漏極和源極導通,即RCIN連接到低,而RCIN在外部還連接了RC延時電路,如圖8所示。

      過流之前,電容被充電至Vcc,并連接到RCIN,但是過流發生之后RCIN內部通過MOSFET連接到地,所以電容沿著箭頭所示路徑放電。此時RCIN引腳為0(低電平),RCIN又連接到SR鎖存器的R端,所以過流發生時,SR鎖存器的S=1,R=0。根據所學的SR鎖存器特性表,S=1,R=0,現態Q=0,那么鎖存器輸出1(高電平),表示有過流情況發生。鎖存器輸出分為兩路(如箭頭所示),一路使FAULT輸出低電平,FAULT可以接到單片機各種檢測端口進行相應的過流處理;另一路關斷上橋臂的3個MOS管,從而使電機停轉實施保護。

      單片機軟件中設定好過流門限數值之后,軟件通過A/D實時采集電流檢測電路輸出的電壓信號,并解算得到對應的電流值,與過流保護門限值進行比較。如果實時電流值大于過流門限值,則執行相應的電機保護動作;如果實時電流值小于過流門限值,則繼續采集電流值進行比較,以此循環。

      線電壓檢測電路的設計與電流檢測電路的設計大體相同。過壓:檢測直流母線電壓,如果高于上限電壓值,則發送警告信息幀,并停止驅動電機。過壓保護如圖10所示。

      電路簡單實用,直接檢測母線電壓,如果電壓高于程序中的設定值,則做出相應的保護動作。在軟件編程的時候采用了查詢法,即只有在進行電壓檢測的程序段中打開A/D,檢測中斷標志,然后讀數并返回電壓值,最后再關A/D,這樣不用在整個程序執行過程中一直打開A/D采集模塊,從而提高了程序執行的效率。

      欠壓:檢測直流母線電壓,如果低于下限電壓值,則發送警告幀,并停止驅動電機,以保護電池。

      欠壓保護:第一套方案和上面的過壓保護過程類似;第二套方案使用了IR2136內部集成的自身工作電源檢測器。從IR2136內部原理框圖可以看出,當Vcc欠壓時,FAULT輸出低電平,同時3個上橋臂的MOS管被關斷。

      在實驗室對設計制成的電路板進行了測試。測試條件為:電機與直流母線 V(DC),負載電機為750 W無刷直流電動機,PWM斬波頻率為10 kHz。

      圖11便是用示波器觀察到I/V電路的電壓信號波形。通過電壓信號可以看出,電流信號的波形為方波,同時方波中含有豐富的PWM高次諧波分量,所以在送至單片機的A/D口之前,需要進行信號調理。

      圖12是調整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中點的電壓信號紋波很小,符合設計標準。

      根據本文內容設計并實現的無刷直流電動機保護電路,簡單可靠,效果良好,可以為交流調速系統、直線電機控制、開關磁阻、電機控制、USP等的研究提供參考。

    此文關鍵字:42無刷電機
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