低电压大电流异步电动机的过流保护

2012-01-22万文斌苏振东陈鹏程孙晨光

大电机技术 2012年6期

万文斌，苏振东，陈鹏程，孙晨光

(合肥工业大学电气与自动化工程学院，合肥 230009)

前言

在电动叉车领域中，存在着直流电动机驱动和异步电动机驱动两种。直流电动机具有良好的启动特性和调速特性，但是它存在着直流换向问题，结构复杂，维护检修不方便，而且消耗有色金属多。异步电动机的启动特性和调速特性不如直流电动机，但是异步电动机的结构简单，维护检修也方便，更为重要的是它不存在换向问题。随着电力电子技术的发展，异步电动机的调速特性越来越好，逐渐成为电动叉车驱动控制领域的主流。在电动叉车领域中，异步电机驱动都具有低电压大电流的特点，所以过电流保护非常重要。

1 电流检测

系统利用霍尔元件来实现对信号的检测，霍尔元件应用的基本原理是霍尔效应。霍尔效应是一种磁敏效应，如在半导体薄片的长度方向上施加一定磁感应强度的磁场，则在宽度方向上产生电动势。电机电流在磁环内产生感应磁场，感应磁场在霍尔元件上产生感应电动势，并且感应电动势与磁感应强度成正比，而磁感应强度又与电流成正比，故而霍尔电压与电流值成正比，基于这种正比关系可以实现对电机电流的检测。

用霍尔元件UGN3503LT和磁环构成电流信号检测电路。UGN3503LT由电压调整器、霍尔电压发生器、线性放大器和射极跟随器组成，其输入是磁感应强度，输出是电压。电流检测信号原理示意图如图 1所示：

图1 UGN3503LT电流检测信号示意图

图1 中，UGN3503LT的 1脚接稳压器输出的+5V电源，2脚接地，3脚为电压输出端。在磁环上的绕线与电机绕组串联，磁环上绕线匝数为1。当电源为+5V且磁场强度为0T时，UGN3503LT的输出为2.5V，并有较高的灵敏度。UGN3503LT的有效输出范围为1V～4V，而TMS320LF2407的A/D采样口的允许电压范围为0V～3.3V，因而需要转换电路。在实践中，系统对三相电机中的两相电流进行采样，另一相可以根据三相电流和为零的原理计算出来。其转换电路如图所示：

图2 电流检测电路

霍尔元件的输出电压VOUT与DSP的A/D采样口输入端的电压VAD之间的关系为：

在实践中，磁环上绕线匝数为1匝，电机电流产生的感应磁场与电机电流之间不是纯粹的线性关系。如果每次电机电流增加10A，对应的霍尔元件输出的电压幅值随着电机电流的增大而变大。当电机电流由40A增加到50A时，对应的霍尔元件输出的电压幅值为0.02V；当电机电流由70A增加到80A时，对应的霍尔元件输出的电压幅值为 0.05V。为了确定电机电流与DSP的A/D采样口的电压关系，采用多点测量再进行数据拟合的办法。

由于霍尔元件为磁感应元件，容易受环境影响，所以应对系统进行初值消除。当 DSP得到采样信号时，DSP开始把霍尔元件采集的数据减去零电流值进行初值消除，提高测量精度。

2 硬件过电流保护

系统的功率模块采用功率 MOS管，其驱动模块采用IR2110S驱动芯片。IR2110S具有独立的低端和高端输入通道；悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达600V，在15V下静态功耗仅为116mW；逻辑电源电压范围为 3.3V～20V，可方便地与 TTL或CMOS电平相匹配。开通、关断延迟时间小，分别为120ns和 94ns。

由于DSP软件处理时间为毫秒级别，来不及处理瞬时过电流和短路电流。如果 MOSFET管被瞬时击穿，进而导致换相紊乱，从而损坏MOSFET管，因而需要硬件保护电路。功率模块硬件保护电路图如下所示：

图3 功率模块硬件保护电路

以第一相为例，其他两相相同。VU和VGU2有四种情况：同时为高，同时为低，VU为高而VGU2为低，VU为低而VGU2为高。假如2管（2管为MOSFET 2）关断时，VGU2为低电压，此时硬件保护电路输出的VSD为低电压，IR2110S正常工作。假如 2管开通且电流不大，VGU2为高电压，而VU为低电压，二极管D3导通，将放大器的负端引脚的电压值钳制为VU的电压值加上二极管的导通压降。VU的电压值为流过2管的电流值与2管的导通电阻值的乘积，由于电流不大，VU的电压值与二极管的导通压降之和小于VVREF，VSD为低电压，IR2110S正常工作。假如 2管开通且电流较大，VU和VGU2同时为高，VU的电压值与二极管的导通压降之和大于VVREF，VSD为高电压，IR2110S立即关闭，所有功率管都关断，从而保护功率模块不被击穿。

如果逆变电路出现短路的情况，电流瞬间就会变得很大，VSD就为高电压，IR2110S立即关闭，所有功率管都关断，进而保护了整个电路。由于逆变电路接的负载为电机，电流中就不可避免出现毛刺，就会有VU和VGU2同时为低的情况，二极管D2导通，从而将VU的电压值钳制为0，使得2管承受的反向电压不高。