一种无刷直流电机电流采样及保护电路的设计

吕 ，吕 蓉 ，黎阳生

（1.昆明船舶设备研究试验中心 云南 昆明650010；2.重庆市企业管理学校 重庆 401147）

一种无刷直流电机电流采样及保护电路的设计

吕1，吕 蓉2，黎阳生1

（1.昆明船舶设备研究试验中心 云南 昆明650010；2.重庆市企业管理学校 重庆 401147）

针对某型号无刷直流电机的控制要求，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。

无刷直流电机;电流采样;保护电路;控制

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，在输入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]。

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[2]。按这种思路构成的半波高精度整流电路如图1所示。

图1 半波高精度整流电路Fig.1 High precision half-wave rectifier circuit

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。

图2 半波整流波形图Fig.2 Half-wave rectified waveform

图3 整流电路的传输特性Fig.3 The transmission characteristics of the rectifier circuit

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[4]，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 50 A/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[5]。

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2）。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)×2.5/R2

图4 TL431恒压5 V输出电路图Fig.4 TL431 constant 5 V output circuit

当R1取值为0的时候，R2可以省略，在本文中，使用TL431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。

图5 B相电流的实现Fig.5 Phase B current

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。

图6 无刷直流电机电流采样保护电路结构图Fig.6 Brushless DC motor current sampling circuit diagram

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[6]。

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。

图7 采样电路实验波形Fig.7 Sampling circuit experimental waveform

在图7中通道1输入A相经过电流传感器后的波形曲线，通道2输入C相经过电流传感器后的波形曲线，通道1和通道 2相位相差 120°，幅值 ，通道 3为A、B、C三相信号经过求和反相后的波形，平均幅值为1.48 V，符合理论分析结果。

3 结论

该电路利用了放大器的原理提出了一种高精度电流采样的方法，并且结合了过流保护、停机保护的功能，从而能保障无刷直流电机的安全运行。目前该电路已经应用于某型号无刷直流电机的控制系统中，实际应用中也证明这个电路可以对电机的实时电流进行高精度检测采样并且及时、可靠的保护好电机。

[1]张琛.直流无刷电动机原理及应用[M].北京：机械工业出版社.2001.

[2]孙树扑，李明，王旭光，等.电力电子技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，1999.

[3]王晓明，王玲.电机的DSP控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

[4]周绍英.储方杰，交流调速系统[M].北京：机械工业出版社.2001.

[5]许大中，晶闸管无换向器电机[M].北京：机械工业出版社，1984.

[6]胡崇岳，现代交流调速技术[M].北京：机械工业出版社，2004.

[7]孙正旻，陈后鹏，王倩，等.一种滞环恒流LED驱动电路的电流采样电路[J].电子科技，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 稿件编号：201310137

吕 （1988—），男，云南昆明人，硕士，助理工程师。研究方向：无刷电机控制、控制导航等。