无刷直流电机的保护电路方案

　　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。

　　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。

　　如果电压值大于0.5 V，则会引发IR2136内部电路一系列动作。具体分析如下，ITRIP引脚连接的比较器输出1(高电平)，经过输入噪声滤波器确认不是由噪声引起的误动作之后，送到SR锁存器的S端，即此时S端为1;同时比较器输出的1(高电平)加到与RCIN相连的MOSFET栅极，从而引发MOSFET漏极和源极导通，即RCIN连接到低，而RCIN在外部还连接了RC延时电路，如图8所示。

　　过流之前，电容被充电至Vcc，并连接到RCIN，但是过流发生之后RCIN内部通过MOSFET连接到地，所以电容沿着箭头所示路径放电。此时RCIN引脚为0(低电平)，RCIN又连接到SR锁存器的R端，所以过流发生时，SR锁存器的S=1，R=0。根据所学的SR锁存器特性表，S=1，R=0，现态Q=0，那么锁存器输出1(高电平)，表示有过流情况发生。锁存器输出分为两路(如箭头所示)，一路使FAULT输出低电平，FAULT可以接到单片机各种检测端口进行相应的过流处理;另一路关断上桥臂的3个MOS管，从而使电机停转实施保护。

　　3.1.3 单片机固件软件级过流保护

　　单片机软件中设定好过流门限数值之后，软件通过A/D实时采集电流检测电路输出的电压信号，并解算得到对应的电流值，与过流保护门限值进行比较。如果实时电流值大于过流门限值，则执行相应的电机保护动作;如果实时电流值小于过流门限值，则继续采集电流值进行比较，以此循环。

　　3.2 过压保护

　　线电压检测电路的设计与电流检测电路的设计大体相同。过压：检测直流母线电压，如果高于上限电压值，则发送警告信息帧，并停止驱动电机。过压保护如图10所示。

　　电路简单实用，直接检测母线电压，如果电压高于程序中的设定值，则做出相应的保护动作。在软件编程的时候采用了查询法，即只有在进行电压检测的程序段中打开A/D，检测中断标志，然后读数并返回电压值，最后再关A/D，这样不用在整个程序执行过程中一直打开A/D采集模块，从而提高了程序执行的效率。

　　3.3 欠压保护

　　欠压：检测直流母线电压，如果低于下限电压值，则发送警告帧，并停止驱动电机，以保护电池。

　　欠压保护：第一套方案和上面的过压保护过程类似;第二套方案使用了IR2136内部集成的自身工作电源检测器。从IR2136内部原理框图可以看出，当Vcc欠压时，FAULT输出低电平，同时3个上桥臂的MOS管被关断。