一種無刷直流電機(jī)電流采樣及保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

呂 ，呂 蓉 ，黎陽生

（1.昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心 云南 昆明650010；2.重慶市企業(yè)管理學(xué)校 重慶 401147）

一種無刷直流電機(jī)電流采樣及保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

呂1，呂 蓉2，黎陽生1

（1.昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心 云南 昆明650010；2.重慶市企業(yè)管理學(xué)校 重慶 401147）

針對(duì)某型號(hào)無刷直流電機(jī)的控制要求，本文設(shè)計(jì)了一種高精度采樣及保護(hù)電路，該電路可以對(duì)無刷直流電機(jī)工作時(shí)的三相電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，以便于控制系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制，并對(duì)電機(jī)和控制系統(tǒng)快速實(shí)施保護(hù)。最后通過實(shí)驗(yàn)證明了該電路精度高、可靠性好，可以有效的保障控制系統(tǒng)和電機(jī)的正常運(yùn)行。

無刷直流電機(jī);電流采樣;保護(hù)電路;控制

在無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中，電流采樣及保護(hù)電路作為其中的一個(gè)反饋環(huán)節(jié)，作用是對(duì)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的電流進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)采集，經(jīng)過處理后，把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制系統(tǒng)可以識(shí)別的小電壓信號(hào)，讓控制系統(tǒng)可以做出相應(yīng)的控制和保護(hù)動(dòng)作。由于電機(jī)電流是交流電流，因此電流采樣及保護(hù)電路需要具備整流功能，普通整流電路的核心元件是具有單向?qū)щ娦阅艿亩O管，通常使用1個(gè)、2個(gè)或4個(gè)二極管組成半波、全波或者橋式整流電路。但二極管在小信號(hào)時(shí)表現(xiàn)為非線性，這將使整流的波形產(chǎn)生失真（小信號(hào)部分），更為嚴(yán)重的是，二極管存在死區(qū)電壓，在輸入信號(hào)小于死區(qū)電壓時(shí)，二極管并未導(dǎo)通，因此使輸出信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重畸變，引起誤差，小信號(hào)時(shí)這種誤差將不可忽略。為了提高精度，文中利用集成運(yùn)放的放大作用和深度負(fù)反饋產(chǎn)生的特性來克服二極管的非線性造成的誤差，為某型號(hào)無刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)了一種可靠性高、精度高的采樣保護(hù)電路[1]。

1 高精度半波整流電路

整流電路是把正、負(fù)交變的電壓轉(zhuǎn)換為單極性電壓的電路。本文的半波高精度整流電路是在比例放大電路中加入二極管，利用二極管的單向?qū)щ娦詫?shí)現(xiàn)正副兩半周內(nèi)引入不同深度的負(fù)反饋[2]。按這種思路構(gòu)成的半波高精度整流電路如圖1所示。

圖1 半波高精度整流電路Fig.1 High precision half-wave rectifier circuit

在 ui＜ 0 期間（t1～t2）。 當(dāng)|ui|還很小時(shí)，D1 和 D2 均為導(dǎo)通，這時(shí)運(yùn)算放大器處于開環(huán)狀態(tài)，其開環(huán)放大倍數(shù)很大，因此|ui|只需稍大一些，運(yùn)放輸出u0′就會(huì)很大，且為負(fù)值，這使二極管D1截止、D2導(dǎo)通，D2的導(dǎo)通給運(yùn)放引入了深度的負(fù)反饋。由于a點(diǎn)電位為零（虛地），故 u0′≈ -0.7 V；而 D1截止，且 a點(diǎn)電位為零，故u0=0，即u0端波無波形。整個(gè)過程如圖2所示。

圖2 半波整流波形圖Fig.2 Half-wave rectified waveform

圖3 整流電路的傳輸特性Fig.3 The transmission characteristics of the rectifier circuit

2 電流采樣及保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

2.1 霍爾傳感器

霍爾電流傳感器是一種先進(jìn)的、能隔離主電路回路和電子控制電路的電檢測(cè)元件。它綜合了互感器和分流器的所有優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又克服了互感器和分流器的不足（互感器只適用于50 Hz工頻測(cè)量；分流器無法進(jìn)行隔離測(cè)量），可測(cè)量任意波形的電流，精度高，動(dòng)態(tài)性能好，工作頻帶寬[4]，本文中的霍爾傳感器采用萊姆(lem)公司的LF205-S,該型傳感器的最大電流測(cè)量范圍是:±200 A,有效測(cè)量范圍是±100 A，當(dāng)測(cè)量電流在有效范圍之類時(shí)，輸出電壓是：±4 V，其測(cè)量精度達(dá)到1%，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于 7μs,跟蹤速度 di/dt高于 50 A/μs。

2.2 TL082雙運(yùn)算放大器

TL082是一種通用的J-FET雙運(yùn)算放大器。其特點(diǎn)有：較低的輸入偏置和偏移電流；輸出設(shè)有短路保護(hù)；輸入級(jí)具有較高的輸入阻抗內(nèi)建頻率補(bǔ)償電路，在電流保護(hù)電路設(shè)計(jì)中，使用TL082構(gòu)成高精度半波整流電路和加法器，而由于TL082為雙運(yùn)算放大器，所以節(jié)省了控制板的空間，使得電路的設(shè)計(jì)更加的簡(jiǎn)潔和精巧[5]。

2.3 TL431三段可編程并聯(lián)穩(wěn)壓二極管

TL431是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意地設(shè)置到從Vref（2.5 V）到36 V范圍內(nèi)的任何值（如圖2）。該器件的典型動(dòng)態(tài)阻抗為0.2 Ω，在很多應(yīng)用中可以用它代替齊納二極管，輸出為一個(gè)固定電壓值，計(jì)算公式是：Vout=(R1+R2)×2.5/R2

圖4 TL431恒壓5 V輸出電路圖Fig.4 TL431 constant 5 V output circuit

當(dāng)R1取值為0的時(shí)候，R2可以省略，在本文中，使用TL431構(gòu)成恒壓電壓源5 V，給比較器供電。

2.4 采樣檢測(cè)及保護(hù)電路的實(shí)現(xiàn)

由于霍爾傳感器的體積相對(duì)較大，所以本文僅僅使用兩個(gè)霍爾電流傳感器對(duì)電機(jī)A、C兩相繞組電流進(jìn)行檢測(cè)，將A、C相中的-100 A～100 A大電流轉(zhuǎn)化為-4 V～4 V的小電壓信號(hào)，再根據(jù)無刷直流電機(jī)三相電流的特性IA+IB+IC=0，計(jì)算得出IB=-(IA+IC)，因此B相電流可以通過對(duì)A、C相求和反相得到，從而可以減少霍爾電流傳感器的使用數(shù)量，縮小體積，削減成本。如圖5所示。

圖5 B相電流的實(shí)現(xiàn)Fig.5 Phase B current

再得到B相電流以后，分別對(duì)A、B、C三相相使用TL082構(gòu)成的高精度半波整流模塊進(jìn)行半波整流，再將整流過的A、B、C三相電壓信號(hào)求和反相，得到此時(shí)進(jìn)入功率管電流的瞬時(shí)值所對(duì)應(yīng)的電壓值。

圖6 無刷直流電機(jī)電流采樣保護(hù)電路結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Brushless DC motor current sampling circuit diagram

在電機(jī)的運(yùn)行過程中，該電路能實(shí)時(shí)測(cè)量電機(jī)的電流，并發(fā)出兩路信號(hào)，一路輸入到DSP的ADC模塊中去，采樣電機(jī)電流的數(shù)字值，從而可以方便的在DSP中實(shí)行電流的閉環(huán)PID 調(diào)節(jié)[6]。

另一路送到比較電路中，然后DSP采用了兩種方式來對(duì)電機(jī)進(jìn)行保護(hù)。一種是限流保護(hù)，當(dāng)電流增大超過限流電流62.5 A（對(duì)應(yīng)電壓值為2.5 V）時(shí)，保護(hù)電路向CPLD發(fā)出限流信號(hào)，進(jìn)而使控制芯片DSP啟動(dòng)相應(yīng)的限流程序進(jìn)行操作，調(diào)節(jié)PWM的占空比，來改變實(shí)際加載到電機(jī)兩端的電壓，改變電流大?。涣硪环N是停機(jī)保護(hù)，如果電流由于某些原因，繼續(xù)增大到停機(jī)電流80 A(對(duì)應(yīng)電壓值為3.2 V)時(shí)，DSP就會(huì)啟動(dòng)停機(jī)程序，立即關(guān)斷所有的功率管，電機(jī)馬上停止運(yùn)行，這樣可以防止由于電流過大而引起的對(duì)功率管或者電機(jī)的損壞，從而提高系統(tǒng)的可靠性。

2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

電流采樣及保護(hù)電路實(shí)驗(yàn)波形如圖7所示。

圖7 采樣電路實(shí)驗(yàn)波形Fig.7 Sampling circuit experimental waveform

在圖7中通道1輸入A相經(jīng)過電流傳感器后的波形曲線，通道2輸入C相經(jīng)過電流傳感器后的波形曲線，通道1和通道 2相位相差 120°，幅值 ，通道 3為A、B、C三相信號(hào)經(jīng)過求和反相后的波形，平均幅值為1.48 V，符合理論分析結(jié)果。

3 結(jié)論

該電路利用了放大器的原理提出了一種高精度電流采樣的方法，并且結(jié)合了過流保護(hù)、停機(jī)保護(hù)的功能，從而能保障無刷直流電機(jī)的安全運(yùn)行。目前該電路已經(jīng)應(yīng)用于某型號(hào)無刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)中，實(shí)際應(yīng)用中也證明這個(gè)電路可以對(duì)電機(jī)的實(shí)時(shí)電流進(jìn)行高精度檢測(cè)采樣并且及時(shí)、可靠的保護(hù)好電機(jī)。

[1]張琛.直流無刷電動(dòng)機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2001.

[2]孫樹撲，李明，王旭光，等.電力電子技術(shù)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1999.

[3]王曉明，王玲.電機(jī)的DSP控制[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[4]周紹英.儲(chǔ)方杰，交流調(diào)速系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2001.

[5]許大中，晶閘管無換向器電機(jī)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1984.

[6]胡崇岳，現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[7]孫正旻，陳后鵬，王倩，等.一種滯環(huán)恒流LED驅(qū)動(dòng)電路的電流采樣電路[J].電子科技，2012(1):1-4.

SUN Zheng-min,CHEN Hou-peng,WANG Qian,et al.A hysteretic constant current LED driver circuit sampling circuit[J].Electronic Science and Technology，2012(1):1-4.

A sampling and protection circuit for brushless DC motor

LV Yun1,LV Rong2,LI Yang-sheng1
（1.Kunming Shipborne Equipment Research&Test Center,Kunming 650010,China；2.Chongqing Business Management School,Chongqing 401147,China）

For a certain type of brushless DC motor control requirements，this paper presents a high-precision sampling and protection circuits,this circuits could do real-time acquisition for the brushless DC motor phase current so that control system can make closed-loop control,and motor and control system can also be quickly implemented to protect.At last The experiment shows that this circuit has high precision and good reliability in the practical application,and it can effectively protect the control system and the motor.

BLDCM;current sampling;protection circuit;control

TN99

A

1674-6236（2014）17-079-03

2013-10-21 稿件編號(hào)：201310137

呂 （1988—），男，云南昆明人，碩士，助理工程師。研究方向：無刷電機(jī)控制、控制導(dǎo)航等。