無(wú)刷直流電機高精度采樣保護電路設計

　　摘要

　　本文設計了一種高精度采樣及保護電路，該電路可以對無(wú)刷直流電機工作時(shí)的三相電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，以便于控制系統進(jìn)行閉環(huán)控制，并對電機和控制系統快速實(shí)施保護。最后通過(guò)實(shí)驗證明了該電路精度高、可靠性好，可以有效的保障控制系統和電機的正常運行。

　　在無(wú)刷直流電機控制系統中，電流采樣及保護電路作為其中的一個(gè)反饋環(huán)節，作用是對電機運行時(shí)的電流進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測采集，經(jīng)過(guò)處理后，把電流信號轉換為控制系統可以識別的小電壓信號，讓控制系統可以做出相應的控制和保護動(dòng)作。由于電機電流是交流電流，因此電流采樣及保護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導電性能的二極管，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。但二極管在小信號時(shí)表現為非線(xiàn)性，這將使整流的波形產(chǎn)生失真（小信號部分），更為嚴重的是，二極管存在死區電壓，在輸人信號小于死區電壓時(shí)，二極管并未導通，因此使輸出信號產(chǎn)生嚴重畸變，引起誤差，小信號時(shí)這種誤差將不可忽略。為了提高精度，文中利用集成運放的放大作用和深度負反饋產(chǎn)生的特性來(lái)克服二極管的非線(xiàn)性造成的誤差，為某型號無(wú)刷直流電機設計了一種可靠性高、精度高的采樣保護電路。

　　1 高精度半波整流電路

　　整流電路是把正、負交變的電壓轉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，利用二極管的單向導電性實(shí)現正副兩半周內引入不同深度的負反饋。按這種思路構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

　　在ui》0期間（0～t1、t2～t3）。當ui還很小時(shí)，D1和D2均截止，運放處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，開(kāi)環(huán)放大倍數很大。因此ui只需稍大，就會(huì )使u0‘足夠大，且為正值。只要u0’大于0.7 V，就會(huì )使D1導通，而D2截止（a點(diǎn)為零電位），因此D1和Rf串聯(lián)引入了適度的負反饋，這時(shí)的電路相當于反相比例放大電路，因此輸出為u0=-Rf/R1 * ui。輸出u0與輸入ui成比例關(guān)系，u0與波形-ui的形狀相同，但按一定的比例放大或者縮小了，若R1=Rf，則u0=-ui。由以上分析可知，即使輸入電壓ui小于二極管的起始導通電壓，仍有-Rf/R1輸出。

　　在ui《0期間（t1～t2）。當|ui|還很小時(shí)，D1和D2均為導通，這時(shí)運算放大器處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，其開(kāi)環(huán)放大倍數很大，因此|ui|只需稍大一些，運放輸出u0’就會(huì )很大，且為負值，這使二極管D1截止、D2導通，D2的導通給運放引入了深度的負反饋。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(wú)波形。整個(gè)過(guò)程如圖2所示。

圖2 半波整流波形圖

　　例如假設輸入信號的頻率為50 Hz，在該頻率下運放的開(kāi)環(huán)電壓放大倍數為5x104，二極管的起始導通電壓為0.5V，則最小整流電壓（即輸入信號）僅為10μA。也就是說(shuō)只要輸入信號大于10 μA，整流器就進(jìn)入正常工作狀態(tài);而對于普通二極管半波整流器，輸入電壓必須大于0.5 V（5×105μV）才能正常工作，其輸入電壓是前者的5萬(wàn)倍，可見(jiàn)該電路大大提高了整流精度。圖3為該整流電路的傳輸特性，它是一條過(guò)原點(diǎn)斜率為-Rf/R1的直線(xiàn)。

圖3 整流電路的傳輸特性

　　2 電流采樣及保護電路的設計

　　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工頻測量;分流器無(wú)法進(jìn)行隔離測量），可測量任意波形的電流，精度高，動(dòng)態(tài)性能好，工作頻帶寬，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量范圍是：±200 A，有效測量范圍是±100 A，當測量電流在有效范圍之類(lèi)時(shí)，輸出電壓是：±4 V，其測量精度達到1%，動(dòng)態(tài)響應時(shí)間小于7μs，跟蹤速度di/dt高于50A/μs。

　　2.2 TL082雙運算放大器

　　TL082是一種通用的J—FET雙運算放大器。其特點(diǎn)有：較低的輸入偏置和偏移電流;輸出設有短路保護;輸入級具有較高的輸入阻抗內建頻率補償電路，在電流保護電路設計中，使用TL082構成高精度半波整流電路和加法器，而由于TL082為雙運算放大器，所以節省了控制板的空間，使得電路的設計更加的簡(jiǎn)潔和精巧。

　　2. 3 TL431三段可編程并聯(lián)穩壓二極管

　　TL431是一個(gè)有良好的熱穩定性能的三端可調分流基準源。它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意地設置到從Vref（2.5 V）到36 V范圍內的任何值（如圖3）。該器件的典型動(dòng)態(tài)阻抗為0.2 Ω，在很多應用中可以用它代替齊納二極管，輸出為一個(gè)固定電壓值，計算公式是：Vout=（R1+R2）x2.5/R2

圖4 TL431恒壓5V輸出電路圖

　　當R1取值為0的時(shí)候，R2可以省略，在本文中，使用TI431構成恒壓電壓源5 V，給比較器供電。

　　2.4 采樣檢測及保護電路的實(shí)現

　　由于霍爾傳感器的體積相對較大，所以本文僅僅使用兩個(gè)霍爾電流傳感器對電機A、C兩相繞組電流進(jìn)行檢測，將A、C相中的-100 A～100 A大電流轉化為-4 V～4 V的小電壓信號，再根據無(wú)刷直流電機三相電流的特性IA+IB+IC=0，計算得出IB=-（IA+IC），因此B相電流可以通過(guò)對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量，縮小體積，削減成本。如圖5所示。

圖5 B相電流的實(shí)現

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

圖6 無(wú)刷直流電機電流采樣保護電路結構圖

　　在電機的運行過(guò)程中，該電路能實(shí)時(shí)測量電機的電流，并發(fā)出兩路信號，一路輸入到DSP的ADC模塊中去，采樣電機電流的數字值，從而可以方便的在DSP中實(shí)行電流的閉環(huán)PID調節。

　　另一路送到比較電路中，然后DSP采用了兩種方式來(lái)對電機進(jìn)行保護。一種是限流保護，當電流增大超過(guò)限流電流62.5 A（對應電壓值為2.5 V）時(shí)，保護電路向CPLD發(fā)出限流信號，進(jìn)而使控制芯片DSP啟動(dòng)相應的限流程序進(jìn)行操作，調節PWM的占空比，來(lái)改變實(shí)際加載到電機兩端的電壓，改變電流大小;另一種是停機保護，如果電流由于某些原因，繼續增大到停機電流80 A（對應電壓值為3.2 V）時(shí)，DSP就會(huì )啟動(dòng)停機程序，立即關(guān)斷所有的功率管，電機馬上停止運行，這樣可以防止由于電流過(guò)大而引起的對功率管或者電機的損壞，從而提高系統的可靠性。

　　2.5 實(shí)驗結果

　　電流采樣及保護電路實(shí)驗波形如圖7所示。

圖7 采樣電路實(shí)驗波形

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

　　3 結論

　　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，并且結合了過(guò)流保護、停機保護的功能，從而能保障無(wú)刷直流電機的安全運行。目前該電路已經(jīng)應用于某型號無(wú)刷直流電機的控制系統中，實(shí)際應用中也證明這個(gè)電路可以對電機的實(shí)時(shí)電流進(jìn)行高精度檢測采樣并且及時(shí)、可靠的保護好電機。