低电压大电流异步电动机的过流保护

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。

3 程序设计

系统软件采用 CCS3.3平台进行编程，主程序由以下几个部分组成：

（1）DSP上电复位运行后对各种内存单元进行初始化，设定各个端口的参数，然后计算电机运行所需参数。

（2）进行上电检测、方向开关检测以及 SRO、HPD检测。如果通过检测，则进入下一阶段；如果没有通过检测，则循环检测，直到通过为止。

（3）进行A/D采样和运行模式选择。运行模式分为两种：快速启动模式和一般启动模式。实验中采用一般启动模式。

（4）判断采样电流是否大于上限值。如果是，则进行过流保护处理；如果不是，则进行电流补偿。由于控制对象为低压大电流异步电机，电流比较大，而电机电压较低，在电机定子绕组上的压降损耗就不能忽略不计，故而得进行电流补偿。

（5）进入 SVPWM 发波中断。如果电源关断，则整个运行过程结束；如果电源仍然开通，则进行上电检测，循环运行。

主程序流程框图如图4所示：

图4 主程序流程图

4 实验结果

实验中所设定的电流上限值为100A。实验波形为UGN3503LT的 3脚输出的电压波形，电机电流为100A时，对应的电压波形的峰峰值为2V。有四个实验波形，分别如下所示。

空载稳定时的电流波形如图5所示。

图5 空载稳定时的电流波形

突加负载时的电流波形如图6所示。

图6 突加负载时的电流波形

带载稳定时的电流波形如图7所示。

图7 带载稳定时的电流波形

带载起动时的电流波形如图8所示。

图8 带载起动时的电流波形

5 结论

由实验结果可以看出，无论是带载起动还是突加负载，示波器显示的电流波形的峰峰值始终在2V以内，即电机电流控制在100A以内，足可显示此系统过流保护功能良好。在实验波形中，确实存在毛刺，在进行A/D转换之前，会进行一次电路滤波处理。在程序里，还会对电流采样值进行一次滤波，这样可以减小毛刺的影响。

选用霍尔元件 UGN3503LT和 DSP系列中的TMS320LF2407设计出15V/100A的异步电机过流保护，具有电流检测、过流保护和短路保护等功能。经过实验证明，此系统反应速度快、操作方便以及可靠性高，能够实现对电机过流保护的设计要求，可使用于类似的系统中。

[1]梁硕, 董爱华, 常波. 基于霍尔检测原理的大中型电机过电流保护研究[J]. 自动化技术与应用, 2009.

[2]王香婷, 苏晓龙. 基于霍尔传感器的电流检测系统[J]. 工矿自动化, 2008.

[3]万文斌, 李飞. 基于DSP的车用低压电机矢量控制系统的研究[J]. 微电机, 2011.

[4]顾绳谷. 电机及拖动基础[M]. 北京: 机械工业出版社, 2003.

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

[6]邹彦, 唐冬, 宁志刚, 王毓银. DSP原理与应用[M]. 北京: 电子工业出版社, 2005.

[7]王成元, 夏加宽, 杨俊友, 孙宜标. 电机现代控制技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2006.

[8]康华光, 陈大钦. 电子技术基础 M]. 北京: 高等教育出版社, 2004.

[9]汤蕴璆, 史乃[M]. 电机学. 北京: 机械工业出版社, 2005.