一種無刷直流電機電流采樣及保護電路的設計

呂 ，呂 蓉 ，黎陽生

（1.昆明船舶設備研究試驗中心 云南 昆明650010；2.重慶市企業管理學校 重慶 401147）

一種無刷直流電機電流采樣及保護電路的設計

呂1，呂 蓉2，黎陽生1

（1.昆明船舶設備研究試驗中心 云南 昆明650010；2.重慶市企業管理學校 重慶 401147）

針對某型號無刷直流電機的控制要求，本文設計了一種高精度采樣及保護電路，該電路可以對無刷直流電機工作時的三相電流進行實時采集，以便于控制系統進行閉環控制，并對電機和控制系統快速實施保護。最后通過實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。

無刷直流電機;電流采樣;保護電路;控制

在無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反饋環節，作用是對電機運行時的電流進行實時檢測采集，經過處理后，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、2個或4個二極管組成半波、全波或者橋式整流電路。但二極管在小信號時表現為非線性，這將使整流的波形產生失真（小信號部分），更為嚴重的是，二極管存在死區電壓，在輸入信號小于死區電壓時，二極管并未導通，因此使輸出信號產生嚴重畸變，引起誤差，小信號時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生的特性來克服二極管的非線性造成的誤差，為某型號無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]。

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現正副兩半周內引入不同深度的負反饋[2]。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Fig.1 High precision half-wave rectifier circuit

在 ui＜ 0 期間（t1～t2）。 當|ui|還很小時，D1 和 D2 均為導通，這時運算放大器處于開環狀態，其開環放大倍數很大，因此|ui|只需稍大一些，運放輸出u0′就會很大，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點電位為零（虛地），故 u0′≈ -0.7 V；而 D1截止，且 a點電位為零，故u0=0，即u0端波無波形。整個過程如圖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 電流采樣及保護電路的設計

2.1 霍爾傳感器

霍爾電流傳感器是一種先進的、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點，同時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；分流器無法進行隔離測量），可測量任意波形的電流，精度高，動態性能好，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時，輸出電壓是：±4 V，其測量精度達到1%，動態響應時間小于 7μs,跟蹤速度 di/dt高于 50 A/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潔和精巧[5]。

2.3 TL431三段可編程并聯穩壓二極管

TL431是一個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2）。該器件的典型動態阻抗為0.2 Ω，在很多應用中可以用它代替齊納二極管，輸出為一個固定電壓值，計算公式是：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R1取值為0的時候，R2可以省略，在本文中，使用TL431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霍爾電流傳感器對電機A、C兩相繞組電流進行檢測，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相電流的實現Fig.5 Phase B current

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行半波整流，再將整流過的A、B、C三相電壓信號求和反相，得到此時進入功率管電流的瞬時值所對應的電壓值。

圖6 無刷直流電機電流采樣保護電路結構圖Fig.6 Brushless DC motor current sampling circuit diagram

在電機的運行過程中，該電路能實時測量電機的電流，并發出兩路信號，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中實行電流的閉環PID 調節[6]。

另一路送到比較電路中，然后DSP采用了兩種方式來對電機進行保護。一種是限流保護，當電流增大超過限流電流62.5 A（對應電壓值為2.5 V）時，保護電路向CPLD發出限流信號，進而使控制芯片DSP啟動相應的限流程序進行操作，調節PWM的占空比，來改變實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，DSP就會啟動停機程序，立即關斷所有的功率管，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 實驗結果

電流采樣及保護電路實驗波形如圖7所示。

圖7 采樣電路實驗波形Fig.7 Sampling circuit experimental waveform

在圖7中通道1輸入A相經過電流傳感器后的波形曲線，通道2輸入C相經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三相信號經過求和反相后的波形，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，并且結合了過流保護、停機保護的功能，從而能保障無刷直流電機的安全運行。目前該電路已經應用于某型號無刷直流電機的控制系統中，實際應用中也證明這個電路可以對電機的實時電流進行高精度檢測采樣并且及時、可靠的保護好電機。

[1]張琛.直流無刷電動機原理及應用[M].北京：機械工業出版社.2001.

[2]孫樹撲，李明，王旭光，等.電力電子技術[M].徐州：中國礦業大學出版社，1999.

[3]王曉明，王玲.電機的DSP控制[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[4]周紹英.儲方杰，交流調速系統[M].北京：機械工業出版社.2001.

[5]許大中，晶閘管無換向器電機[M].北京：機械工業出版社，1984.

[6]胡崇岳，現代交流調速技術[M].北京：機械工業出版社，2004.

[7]孫正旻，陳后鵬，王倩，等.一種滯環恒流LED驅動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：201310137

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