无刷直流电机的保护电路

摘要：为了使无刷直流电机长期稳定运行，采用加保护电路的方法使其正常工作，保护电路主要由欠压保护、过流保护、短路保护等组成，在软件里设置电压、电流的阈值，直接对电压、电流进行检测并产生相应的保护，以免对电路和电机造成损害，并且做了相应的欠压、过压、过流测试实验。实践应用表明，该设计的几种方案切实可行，能够在异常情况下及时对电机做出保护动作。
关键词：无刷直流电机；欠压保护；过压保护；过流保护

0 引言
电机广泛应用于人们的生产、生活及科研等各个领域，因此各种类型的电机保护装置应运而生，如欠压保护、过压保护及过流保护等。这些保护装置相互独立，不仅安装麻烦，总体生产成本高，而且在电机正常运行过程中，还要消耗一定的电能，造成能源浪费。其实，上述保护装置，归根到底都是预防电机因自身过热而烧毁。本文给出几种电机的保护方案，它不仅响应速度快，控制可靠，而且大大地降低了保护装置的生产成本。该保护电路与传统的保护电路相比，省去了热继电器、交流接触器等保护装置的能耗，与电机为一体。经测试验证，效果良好。

1 电流检测原理
要实现过流保护，首要的任务是检测电机的电流。通常有2种检测电流的方法：
(1)小阻值无感采样电阻。通常采用康铜丝或者贴片件，这是一种廉价的方案，但是要注意采样电阻阻值的选取，功率要足够大，同时电阻的电感要小，以排除感抗在电阻两端引起的电压降。
(2)霍尔电流传感器。适合驱动开发，采用LEM公司的LA28-NP霍尔电流传感器的电流测量，它的优点是精度高，可靠性高。
在电流采样的位置上也有2种方法可以选择：
(1)相电流采样。将采样电阻或者霍尔电流传感器置于每一相，假设三相电流分别为ia，ib和ic，又因为无刷电机的三相电流有如下关系：ia+ib+ic=0，所以只要检测出无刷电机中两相电流就可以得到另一相的电流信息。
(2)母线电流采样。一般是将采样电阻或者电力传感器置于母线负侧进行电流采样。
下面介绍一种基于LEM霍尔电流传感器采样母线电流的方法，该方法精度高，可靠性高。
将霍尔传感器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。这个硬件电路示意图如图1所示。

I／V电路如图2所示。

图3给出了二阶低通滤波器的设计方法。实际设计时，使R1=R2，C1=2C2，可以实现-40 dB／10倍频的频率响应。其截至频率的计算公式为：

在实际电路中电阻电容取值为R=100 kΩ，C=1μF，截至频率f=1．126 Hz，从而将方波电压信号的中高次谐波分量滤除，进而得到平稳的直流分量。

同相和反向比例电路是运放最典型的应用。经低通滤波之后出来的直流电压信号，其幅值比较低，所以要经过同相比例运算放大电路放大，进行电压放大，便于单片机的A／D口进行采集。图4中D22，D23为箝位二极管，保持输入到单片机A／D口的电压在0～5 V范围之内，选用1N4148即可。

2 电压检测原理
线电压检测电路的设计与电流检测电路的设计大体相同，具体原理参照电流检测原理。线电压检测硬件的整体电路结构图如图5所示。

3 保护方案
本文提出的保护方案主要是针对以IR2136芯片作为电机驱动器的电机，因为它不但实现了一套完整的无刷直流电动机驱动，而且它还集成了自身工作电源欠压检测器，检测到芯片的Vcc或Vbs欠压时能关闭高端MOSFET，防止MOS管长时间工作在高功耗状态下。
3．1 过流保护方案
过流保护方案共有3套，其中包括两套硬件过流方案和一套软件过流方案。
(1)电流检测电路和LM311构成比较电路，输出送到单片机PWM模块的FLTA进行故障检测，如果FLTA引脚为低电平，则PWM模块硬件关断PWM输出。该过流保护为单片机集成的硬件级保护，响应速度快。
(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)单片机设置软件级的过流保护程序代码，通过A／D口采集电流检测电路输出电压，以判断是否过流。这属于软件级别的过流保护，响应速度较硬件级别保护慢，若在程序跑飞的情况下不能提供过流保护。
3．1．1 方案一
电流检测电路配合LM311构成过流检测电路如图6所示。