无刷直流电机高精度采样保护电路设计 - 全文

　　摘要

　　本文设计了一种高精度采样及保护电路，该电路可以对无刷直流电机工作时的三相电流进行实时采集，以便于控制系统进行闭环控制，并对电机和控制系统快速实施保护。最后通过实验证明了该电路精度高、可靠性好，可以有效的保障控制系统和电机的正常运行。

　　在无刷直流电机控制系统中，电流采样及保护电路作为其中的一个反馈环节，作用是对电机运行时的电流进行实时检测采集，经过处理后，把电流信号转换为控制系统可以识别的小电压信号，让控制系统可以做出相应的控制和保护动作。由于电机电流是交流电流，因此电流采样及保护电路需要具备整流功能，普通整流电路的核心元件是具有单向导电性能的二极管，通常使用1个、2个或4个二极管组成半波、全波或者桥式整流电路。但二极管在小信号时表现为非线性，这将使整流的波形产生失真（小信号部分），更为严重的是，二极管存在死区电压，在输人信号小于死区电压时，二极管并未导通，因此使输出信号产生严重畸变，引起误差，小信号时这种误差将不可忽略。为了提高精度，文中利用集成运放的放大作用和深度负反馈产生的特性来克服二极管的非线性造成的误差，为某型号无刷直流电机设计了一种可靠性高、精度高的采样保护电路。

　　1 高精度半波整流电路

　　整流电路是把正、负交变的电压转换为单极性电压的电路。本文的半波高精度整流电路是在比例放大电路中加入二极管，利用二极管的单向导电性实现正副两半周内引入不同深度的负反馈。按这种思路构成的半波高精度整流电路如图1所示。

半波高精度整流电路

图1 半波高精度整流电路

　　在ui》0期间（0～t1、t2～t3）。当ui还很小时，D1和D2均截止，运放处于开环状态，开环放大倍数很大。因此ui只需稍大，就会使u0‘足够大，且为正值。只要u0’大于0.7 V，就会使D1导通，而D2截止（a点为零电位），因此D1和Rf串联引入了适度的负反馈，这时的电路相当于反相比例放大电路，因此输出为u0=-Rf/R1 * ui。输出u0与输入ui成比例关系，u0与波形-ui的形状相同，但按一定的比例放大或者缩小了，若R1=Rf，则u0=-ui。由以上分析可知，即使输入电压ui小于二极管的起始导通电压，仍有-Rf/R1输出。

　　在ui《0期间（t1～t2）。当|ui|还很小时，D1和D2均为导通，这时运算放大器处于开环状态，其开环放大倍数很大，因此|ui|只需稍大一些，运放输出u0’就会很大，且为负值，这使二极管D1截止、D2导通，D2的导通给运放引入了深度的负反馈。由于a点电位为零（虚地），故u0’≈-0.7 V;而D1截止，且a点电位为零，故u0=0，即u0端波无波形。整个过程如图2所示。

半波整流波形图

图2 半波整流波形图

　　例如假设输入信号的频率为50 Hz，在该频率下运放的开环电压放大倍数为5x104，二极管的起始导通电压为0.5V，则最小整流电压（即输入信号）仅为10μA。也就是说只要输入信号大于10 μA，整流器就进入正常工作状态;而对于普通二极管半波整流器，输入电压必须大于0.5 V（5×105μV）才能正常工作，其输入电压是前者的5万倍，可见该电路大大提高了整流精度。图3为该整流电路的传输特性，它是一条过原点斜率为-Rf/R1的直线。

整流电路的传输特性

图3 整流电路的传输特性

　　2 电流采样及保护电路的设计

　　2.1 霍尔传感器

　　霍尔电流传感器是一种先进的、能隔离主电路回路和电子控制电路的电检测元件。它综合了互感器和分流器的所有优点，同时又克服了互感器和分流器的不足（互感器只适用于50 Hz工频测量;分流器无法进行隔离测量），可测量任意波形的电流，精度高，动态性能好，工作频带宽，本文中的霍尔传感器采用莱姆（lem）公司的LF205-S，该型传感器的最大电流测量范围是：±200 A，有效测量范围是±100 A，当测量电流在有效范围之类时，输出电压是：±4 V，其测量精度达到1%，动态响应时间小于7μs，跟踪速度di/dt高于50A/μs。

　　2.2 TL082双运算放大器

　　TL082是一种通用的J—FET双运算放大器。其特点有：较低的输入偏置和偏移电流;输出设有短路保护;输入级具有较高的输入阻抗内建频率补偿电路，在电流保护电路设计中，使用TL082构成高精度半波整流电路和加法器，而由于TL082为双运算放大器，所以节省了控制板的空间，使得电路的设计更加的简洁和精巧。

　　2. 3 TL431三段可编程并联稳压二极管

　　TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5 V）到36 V范围内的任何值（如图3）。该器件的典型动态阻抗为0.2 Ω，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，输出为一个固定电压值，计算公式是：Vout=（R1+R2）x2.5/R2

TL431恒压5V输出电路图

图4 TL431恒压5V输出电路图

　　当R1取值为0的时候，R2可以省略，在本文中，使用TI431构成恒压电压源5 V，给比较器供电。

　　2.4 采样检测及保护电路的实现

　　由于霍尔传感器的体积相对较大，所以本文仅仅使用两个霍尔电流传感器对电机A、C两相绕组电流进行检测，将A、C相中的-100 A～100 A大电流转化为-4 V～4 V的小电压信号，再根据无刷直流电机三相电流的特性IA+IB+IC=0，计算得出IB=-（IA+IC），因此B相电流可以通过对A、C相求和反相得到，从而可以减少霍尔电流传感器的使用数量，缩小体积，削减成本。如图5所示。

B相电流的实现

图5 B相电流的实现

　　再得到B相电流以后，分别对A、B、C三相相使用TL082构成的高精度半波整流模块进行半波整流，再将整流过的A、B、C三相电压信号求和反相，得到此时进入功率管电流的瞬时值所对应的电压值。

无刷直流电机电流采样保护电路结构图

图6 无刷直流电机电流采样保护电路结构图

　　在电机的运行过程中，该电路能实时测量电机的电流，并发出两路信号，一路输入到DSP的ADC模块中去，采样电机电流的数字值，从而可以方便的在DSP中实行电流的闭环PID调节。

　　另一路送到比较电路中，然后DSP采用了两种方式来对电机进行保护。一种是限流保护，当电流增大超过限流电流62.5 A（对应电压值为2.5 V）时，保护电路向CPLD发出限流信号，进而使控制芯片DSP启动相应的限流程序进行操作，调节PWM的占空比，来改变实际加载到电机两端的电压，改变电流大小;另一种是停机保护，如果电流由于某些原因，继续增大到停机电流80 A（对应电压值为3.2 V）时，DSP就会启动停机程序，立即关断所有的功率管，电机马上停止运行，这样可以防止由于电流过大而引起的对功率管或者电机的损坏，从而提高系统的可靠性。

　　2.5 实验结果

　　电流采样及保护电路实验波形如图7所示。

采样电路实验波形