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無刷直流電機的保護電路方案

無刷直流電機的保護電路方案

發布日期:2014-12-10 16:22 來源: 點擊:

  本文給出幾種電機的保護方案,它不僅響應速度快,控制可靠,而且大大地降低了保護裝置的生産成本。該保護電路與傳統的保護電路相比,省去了熱繼電器、交流接觸器等保護裝置的能耗,與電機爲一體。經測試驗證,效果良好。

  1、電流檢測原理

  要實現過流保護,首要的任務是檢測電機的電流。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。

  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,假設三相電流分別爲ia,ib和ic,又因爲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。

  下面介紹一種基于電流傳感器采樣母線電流的方法,該方法精度高,可靠性高。

  将传感器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。

  2、電壓檢測原理

  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。

  3、保護方案

  本文提出的保護方案主要是針對以IR2136芯片作爲電機驅動器的電機,因爲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。

  3.1 过流保护方案

  過流保護方案共有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引腳爲低電平,則PWM模塊硬件關斷PWM輸出。該過流保護爲單片機集成的硬件級保護,響應速度快。

  (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)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。

  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。

  過流之前,電容被充電至Vcc,並連接到RCIN,但是過流發生之後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引腳爲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,那麽鎖存器輸出1(高電平),表示有過流情況發生。鎖存器輸出分爲兩路(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。

  3.1.3 单片机固件软件级过流保护

  單片機軟件中設定好過流門限數值之後,軟件通過A/D實時采集電流檢測電路輸出的電壓信號,並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。

  3.2 过压保护

  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,並停止驅動電機。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,然後讀數並返回電壓值,最後再關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。

  3.3 欠压保护

  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,並停止驅動電機,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。


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