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本文設(shè)計(jì)了一種高精度采樣及保護(hù)電路,該電路可以對無刷直流電機(jī)工作時(shí)的三相電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,以便于控制系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制,并對電機(jī)和控制系統(tǒng)快速實(shí)施保護(hù)。最后通過實(shí)驗(yàn)證明了該電路精度高、可靠性好,可以有效的保障控制系統(tǒng)和電機(jī)的正常運(yùn)行。 在無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中,電流采樣及保護(hù)電路作為其中的一個(gè)反饋環(huán)節(jié),作用是對電機(jī)運(yùn)行時(shí)的電流進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測采集,經(jīng)過處理后,把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制系統(tǒng)可以識(shí)別的小電壓信號(hào),讓控制系統(tǒng)可以做出相應(yīng)的控制和保護(hù)動(dòng)作。由于電機(jī)電流是交流電流,因此電流采樣及保護(hù)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?qū)щ娦阅艿亩O管,通常使用1個(gè)、2個(gè)或4個(gè)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(hào)時(shí)表現(xiàn)為非線性,這將使整流的波形產(chǎn)生失真(小信號(hào)部分),更為嚴(yán)重的是,二極管存在死區(qū)電壓,在輸人信號(hào)小于死區(qū)電壓時(shí),二極管并未導(dǎo)通,因此使輸出信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重畸變,引起誤差,小信號(hào)時(shí)這種誤差將不可忽略。為了提高精度,文中利用集成運(yùn)放的放大作用和深度負(fù)反饋產(chǎn)生的特性來克服二極管的非線性造成的誤差,為某型號(hào)無刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)了一種可靠性高、精度高的采樣保護(hù)電路。 1 高精度半波整流電路 整流電路是把正、負(fù)交變的電壓轉(zhuǎn)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?qū)щ娦詫?shí)現(xiàn)正副兩半周內(nèi)引入不同深度的負(fù)反饋。按這種思路構(gòu)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 在ui》0期間(0~t1、t2~t3)。當(dāng)ui還很小時(shí),D1和D2均截止,運(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài),開環(huán)放大倍數(shù)很大。因此ui只需稍大,就會(huì)使u0‘足夠大,且為正值。只要u0’大于0.7 V,就會(huì)使D1導(dǎo)通,而D2截止(a點(diǎn)為零電位),因此D1和Rf串聯(lián)引入了適度的負(fù)反饋,這時(shí)的電路相當(dāng)于反相比例放大電路,因此輸出為u0=-Rf/R1 * ui。輸出u0與輸入ui成比例關(guān)系,u0與波形-ui的形狀相同,但按一定的比例放大或者縮小了,若R1=Rf,則u0=-ui。由以上分析可知,即使輸入電壓ui小于二極管的起始導(dǎo)通電壓,仍有-Rf/R1輸出。 在ui《0期間(t1~t2)。當(dāng)|ui|還很小時(shí),D1和D2均為導(dǎo)通,這時(shí)運(yùn)算放大器處于開環(huán)狀態(tài),其開環(huán)放大倍數(shù)很大,因此|ui|只需稍大一些,運(yùn)放輸出u0’就會(huì)很大,且為負(fù)值,這使二極管D1截止、D2導(dǎo)通,D2的導(dǎo)通給運(yùn)放引入了深度的負(fù)反饋。由于a點(diǎn)電位為零(虛地),故u0’≈-0.7 V;而D1截止,且a點(diǎn)電位為零,故u0=0,即u0端波無波形。整個(gè)過程如圖2所示。 圖2 半波整流波形圖 例如假設(shè)輸入信號(hào)的頻率為50 Hz,在該頻率下運(yùn)放的開環(huán)電壓放大倍數(shù)為5x104,二極管的起始導(dǎo)通電壓為0.5V,則最小整流電壓(即輸入信號(hào))僅為10μA。也就是說只要輸入信號(hào)大于10 μA,整流器就進(jìn)入正常工作狀態(tài);而對于普通二極管半波整流器,輸入電壓必須大于0.5 V(5×105μV)才能正常工作,其輸入電壓是前者的5萬倍,可見該電路大大提高了整流精度。圖3為該整流電路的傳輸特性,它是一條過原點(diǎn)斜率為-Rf/R1的直線。 圖3 整流電路的傳輸特性 2 電流采樣及保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 2.1 霍爾傳感器 霍爾電流傳感器是一種先進(jìn)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(yōu)點(diǎn),同時(shí)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(jìn)行隔離測量),可測量任意波形的電流,精度高,動(dòng)態(tài)性能好,工作頻帶寬,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(dāng)測量電流在有效范圍之類時(shí),輸出電壓是:±4 V,其測量精度達(dá)到1%,動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于7μs,跟蹤速度di/dt高于50A/μs。 2.2 TL082雙運(yùn)算放大器 TL082是一種通用的J—FET雙運(yùn)算放大器。其特點(diǎn)有:較低的輸入偏置和偏移電流;輸出設(shè)有短路保護(hù);輸入級(jí)具有較高的輸入阻抗內(nèi)建頻率補(bǔ)償電路,在電流保護(hù)電路設(shè)計(jì)中,使用TL082構(gòu)成高精度半波整流電路和加法器,而由于TL082為雙運(yùn)算放大器,所以節(jié)省了控制板的空間,使得電路的設(shè)計(jì)更加的簡潔和精巧。 2. 3 TL431三段可編程并聯(lián)穩(wěn)壓二極管 TL431是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意地設(shè)置到從Vref(2.5 V)到36 V范圍內(nèi)的任何值(如圖3)。該器件的典型動(dòng)態(tài)阻抗為0.2 Ω,在很多應(yīng)用中可以用它代替齊納二極管,輸出為一個(gè)固定電壓值,計(jì)算公式是:Vout=(R1+R2)x2.5/R2 圖4 TL431恒壓5V輸出電路圖 當(dāng)R1取值為0的時(shí)候,R2可以省略,在本文中,使用TI431構(gòu)成恒壓電壓源5 V,給比較器供電。