低電壓大電流異步電動機的過流保護

萬文斌，蘇振東，陳鵬程，孫晨光

(合肥工業大學 電氣與自動化工程學院，合肥 230009)

前言

在電動叉車領域中，存在著直流電動機驅動和異步電動機驅動兩種。直流電動機具有良好的啟動特性和調速特性，但是它存在著直流換向問題，結構復雜，維護檢修不方便，而且消耗有色金屬多。異步電動機的啟動特性和調速特性不如直流電動機，但是異步電動機的結構簡單，維護檢修也方便，更為重要的是它不存在換向問題。隨著電力電子技術的發展，異步電動機的調速特性越來越好，逐漸成為電動叉車驅動控制領域的主流。在電動叉車領域中，異步電機驅動都具有低電壓大電流的特點，所以過電流保護非常重要。

1 電流檢測

系統利用霍爾元件來實現對信號的檢測，霍爾元件應用的基本原理是霍爾效應。霍爾效應是一種磁敏效應，如在半導體薄片的長度方向上施加一定磁感應強度的磁場，則在寬度方向上產生電動勢。電機電流在磁環內產生感應磁場，感應磁場在霍爾元件上產生感應電動勢，并且感應電動勢與磁感應強度成正比，而磁感應強度又與電流成正比，故而霍爾電壓與電流值成正比，基于這種正比關系可以實現對電機電流的檢測。

用霍爾元件UGN3503LT和磁環構成電流信號檢測電路。UGN3503LT由電壓調整器、霍爾電壓發生器、線性放大器和射極跟隨器組成，其輸入是磁感應強度，輸出是電壓。電流檢測信號原理示意圖如圖 1所示：

圖1 UGN3503LT電流檢測信號示意圖

圖1 中，UGN3503LT的 1腳接穩壓器輸出的+5V電源，2腳接地，3腳為電壓輸出端。在磁環上的繞線與電機繞組串聯，磁環上繞線匝數為1。當電源為+5V且磁場強度為0T時，UGN3503LT的輸出為2.5V，并有較高的靈敏度。UGN3503LT的有效輸出范圍為1V～4V，而TMS320LF2407的A/D采樣口的允許電壓范圍為0V～3.3V，因而需要轉換電路。在實踐中，系統對三相電機中的兩相電流進行采樣，另一相可以根據三相電流和為零的原理計算出來。其轉換電路如圖所示：

圖2 電流檢測電路

霍爾元件的輸出電壓VOUT與DSP的A/D采樣口輸入端的電壓VAD之間的關系為：

在實踐中，磁環上繞線匝數為1匝，電機電流產生的感應磁場與電機電流之間不是純粹的線性關系。如果每次電機電流增加10A，對應的霍爾元件輸出的電壓幅值隨著電機電流的增大而變大。當電機電流由40A增加到50A時，對應的霍爾元件輸出的電壓幅值為0.02V；當電機電流由70A增加到80A時，對應的霍爾元件輸出的電壓幅值為 0.05V。為了確定電機電流與DSP的A/D采樣口的電壓關系，采用多點測量再進行數據擬合的辦法。

由于霍爾元件為磁感應元件，容易受環境影響，所以應對系統進行初值消除。當 DSP得到采樣信號時，DSP開始把霍爾元件采集的數據減去零電流值進行初值消除，提高測量精度。

2 硬件過電流保護

系統的功率模塊采用功率 MOS管，其驅動模塊采用IR2110S驅動芯片。IR2110S具有獨立的低端和高端輸入通道；懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達600V，在15V下靜態功耗僅為116mW；邏輯電源電壓范圍為 3.3V～20V，可方便地與 TTL或CMOS電平相匹配。開通、關斷延遲時間小，分別為120ns和 94ns。

由于DSP軟件處理時間為毫秒級別，來不及處理瞬時過電流和短路電流。如果 MOSFET管被瞬時擊穿，進而導致換相紊亂，從而損壞MOSFET管，因而需要硬件保護電路。功率模塊硬件保護電路圖如下所示：

圖3 功率模塊硬件保護電路

以第一相為例，其他兩相相同。VU和VGU2有四種情況：同時為高，同時為低，VU為高而VGU2為低，VU為低而VGU2為高。假如2管（2管為MOSFET 2）關斷時，VGU2為低電壓，此時硬件保護電路輸出的VSD為低電壓，IR2110S正常工作。假如 2管開通且電流不大，VGU2為高電壓，而VU為低電壓，二極管D3導通，將放大器的負端引腳的電壓值鉗制為VU的電壓值加上二極管的導通壓降。VU的電壓值為流過2管的電流值與2管的導通電阻值的乘積，由于電流不大，VU的電壓值與二極管的導通壓降之和小于VVREF，VSD為低電壓，IR2110S正常工作。假如 2管開通且電流較大，VU和VGU2同時為高，VU的電壓值與二極管的導通壓降之和大于VVREF，VSD為高電壓，IR2110S立即關閉，所有功率管都關斷，從而保護功率模塊不被擊穿。

如果逆變電路出現短路的情況，電流瞬間就會變得很大，VSD就為高電壓，IR2110S立即關閉，所有功率管都關斷，進而保護了整個電路。由于逆變電路接的負載為電機，電流中就不可避免出現毛刺，就會有VU和VGU2同時為低的情況，二極管D2導通，從而將VU的電壓值鉗制為0，使得2管承受的反向電壓不高。

3 程序設計

系統軟件采用 CCS3.3平臺進行編程，主程序由以下幾個部分組成：

（1）DSP上電復位運行后對各種內存單元進行初始化，設定各個端口的參數，然后計算電機運行所需參數。

（2）進行上電檢測、方向開關檢測以及 SRO、HPD檢測。如果通過檢測，則進入下一階段；如果沒有通過檢測，則循環檢測，直到通過為止。

（3）進行A/D采樣和運行模式選擇。運行模式分為兩種：快速啟動模式和一般啟動模式。實驗中采用一般啟動模式。

（4）判斷采樣電流是否大于上限值。如果是，則進行過流保護處理；如果不是，則進行電流補償。由于控制對象為低壓大電流異步電機，電流比較大，而電機電壓較低，在電機定子繞組上的壓降損耗就不能忽略不計，故而得進行電流補償。

（5）進入 SVPWM 發波中斷。如果電源關斷，則整個運行過程結束；如果電源仍然開通，則進行上電檢測，循環運行。

主程序流程框圖如圖4所示：

圖4 主程序流程圖

4 實驗結果

實驗中所設定的電流上限值為100A。實驗波形為UGN3503LT的 3腳輸出的電壓波形，電機電流為100A時，對應的電壓波形的峰峰值為2V。有四個實驗波形，分別如下所示。

空載穩定時的電流波形如圖5所示。

圖5 空載穩定時的電流波形

突加負載時的電流波形如圖6所示。

圖6 突加負載時的電流波形

帶載穩定時的電流波形如圖7所示。

圖7 帶載穩定時的電流波形

帶載起動時的電流波形如圖8所示。

圖8 帶載起動時的電流波形

5 結論

由實驗結果可以看出，無論是帶載起動還是突加負載，示波器顯示的電流波形的峰峰值始終在2V以內，即電機電流控制在100A以內，足可顯示此系統過流保護功能良好。在實驗波形中，確實存在毛刺，在進行A/D轉換之前，會進行一次電路濾波處理。在程序里，還會對電流采樣值進行一次濾波，這樣可以減小毛刺的影響。

選用霍爾元件 UGN3503LT和 DSP系列中的TMS320LF2407設計出15V/100A的異步電機過流保護，具有電流檢測、過流保護和短路保護等功能。經過實驗證明，此系統反應速度快、操作方便以及可靠性高，能夠實現對電機過流保護的設計要求，可使用于類似的系統中。

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