一种无刷直流电机电流高精度采样及保护电路的设计
无刷直流电机的保护电路
无刷直流电机的保护电路摘要：为了使无刷直流电机长期稳定运行，采用加保护电路的方法使其正常工作，保护电路主要由欠压保护、过流保护、短路保护等组成，在软件里设置电压、电流的阈值，直接对电压、电流进行检测并产生相应的保护，以免对电路和电机造成损害，并且做了相应的欠压、过压、过流测试实验。
实践应用表明，该设计的几种方案切实可行，能够在异常情况下及时对电机做出保护动作。
关键词：无刷直流电机；欠压保护；过压保护；过流保护0 引言电机广泛应用于人们的生产、生活及科研等各个领域，因此各种类型的电机保护装置应运而生，如欠压保护、过压保护及过流保护等。
这些保护装置相互独立，不仅安装麻烦，总体生产成本高，而且在电机正常运行过程中，还要消耗一定的电能，造成能源浪费。
其实，上述保护装置，归根到底都是预防电机因自身过热而烧毁。
本文给出几种电机的保护方案，它不仅响应速度快，控制可靠，而且大大地降低了保护装置的生产成本。
该保护电路与传统的保护电路相比，省去了热继电器、交流接触器等保护装置的能耗，与电机为一体。
经测试验证，效果良好。
1 电流检测原理要实现过流保护，首要的任务是检测电机的电流。
通常有2种检测电流的方法：(1)小阻值无感采样电阻。
通常采用康铜丝或者贴片件，这是一种廉价的方案，但是要注意采样电阻阻值的选取，功率要足够大，同时电阻的电感要小，以排除感抗在电阻两端引起的电压降。
(2)霍尔电流传感器。
适合驱动开发，采用LEM公司的LA28-NP霍尔电流传感器的电流测量，它的优点是精度高，可靠性高。
在电流采样的位置上也有2种方法可以选择：(1)相电流采样。
将采样电阻或者霍尔电流传感器置于每一相，假设三相电流分别为ia，ib和ic，又因为无刷电机的三相电流有如下关系：ia+ib+ic=0，所以只要检测出无刷电机中两相电流就可以得到另一相的电流信息。
(2)母线电流采样。
一般是将采样电阻或者电力传感器置于母线负侧进行电流采样。
下面介绍一种基于LEM霍尔电流传感器采样母线电流的方法，该方法精度高，可靠性高。
bldc过零点采样电路
bldc过零点采样电路直流无刷电机（BLDC）是一种常见的电机类型，其在各种应用领域广泛使用。
在控制BLDC电机时，过零点采样电路扮演着重要的角色。
本文将介绍BLDC过零点采样电路的原理、设计要点以及应用案例。
一、原理介绍BLDC电机的控制需要准确获取电机转子位置信息，以实现正确的电流控制和相序切换。
过零点采样电路能够提供准确的零点检测信号，用于确定转子的位置。
过零点采样电路一般由比较器、滤波器和驱动逻辑组成。
在BLDC电机工作过程中，电机三相线圈的电流会在正负的过零点附近切换。
当电流趋于零时，比较器会通过采样电路检测到过零点的信号，然后将该信息传递给控制器，以便进行相序切换和动态调整。
二、设计要点1. 比较器选择：选择合适的比较器对电流进行采样。
比较器需要具备高速响应和低功耗的特点，以确保对过零点进行准确检测。
2. 滤波器设计：滤波器的作用是降低噪音和干扰，提高采样信号的准确性。
可以采用低通滤波器进行滤波，滤除高频信号和其他干扰。
3. 电源设计：过零点采样电路对电源干扰敏感，需要提供稳定的电源。
可以采用稳压芯片或者滤波电路来确保电源的稳定性。
4. 隔离设计：过零点采样电路需要与其他电路进行隔离，以避免影响信号采集的准确性。
可以采用光耦隔离或者磁耦隔离等方式进行隔离设计。
三、应用案例以电动汽车的BLDC驱动系统为例，介绍过零点采样电路的应用。
电动汽车的驱动系统中，BLDC电机被广泛采用。
过零点采样电路用于检测电机转子的位置，以实现精确的控制。
通过准确的位置检测，可以避免相序错乱和电流不稳定等问题，提高电机的运行效率。
在电动汽车的过零点采样电路设计中，需要考虑高压和高温环境对电路的影响。
设计人员需要选择符合要求的芯片和元器件，并进行可靠性测试和温度适应性设计。
此外，在电动汽车的过零点采样电路中，还需要考虑EMI（电磁干扰）的问题。
通过合理的电源布局、滤波和屏蔽设计，可以有效降低EMI对过零点采样电路的干扰。
stm32无刷电机驱动电流采样原理
stm32无刷电机驱动电流采样原理（原创版）目录1.无刷电机的基本原理2.STM32 在无刷电机驱动中的应用3.电流采样原理及方法4.STM32 无刷电机驱动电流采样实例5.结论正文一、无刷电机的基本原理无刷电机，又称为无刷直流电机，是一种采用电子换向器来代替传统碳刷换向的电机。
它具有噪音低、寿命长、维护简便等优点，被广泛应用于自动化领域。
无刷电机的基本原理是利用三角波信号来控制电机的转速和转向。
二、STM32 在无刷电机驱动中的应用STM32 是一种高性能、低功耗的微控制器，具有丰富的外设和可编程I/O 口。
在无刷电机驱动中，STM32 可以作为控制核心，实现对电机的精确控制。
通过硬件 PWM 输出和 ADC 输入，可以实现对电机转速和电流的实时监测与调节。
三、电流采样原理及方法电流采样是指将电流信号转换为可以被微控制器处理的电压信号。
在无刷电机驱动中，电流采样可以用于监测电机的负载情况，从而实现对电机转速的调节。
电流采样原理是基于电流互感器，将大电流变成小电流，以便于进行 A/D 转换。
电流采样方法主要有以下两种：1.采用电阻进行电流采样：通过在电机电路中串联一定阻值的电阻，使得电流与电阻成正比，从而实现对电流的采样。
2.采用电流互感器进行电流采样：电流互感器是一种专门用于电流采样的传感器，它可以将大电流变换为小电流，方便进行 A/D 转换。
四、STM32 无刷电机驱动电流采样实例以下是一个简单的 STM32 无刷电机驱动电流采样实例：1.硬件连接：将电流互感器的输出端连接到 STM32 的 ADC 输入端，同时将电机驱动芯片的输出端连接到电流互感器。
2.软件设计：配置 STM32 的 ADC 模块，设置采样周期和通道。
在定时器中断中读取 ADC 采样值，并根据采样值计算电机的电流。
3.电流调节：根据计算得到的电机电流与设定电流进行比较，通过PID 调节算法来调节电机转速，从而实现对电流的控制。
直流无刷电机高精度电流采样系统设计
大电路。 电路中 2.5 V 电压可由 2.5 V 电压基准芯片 钟输入可由 FPGA 内部时钟分频得到， 对采样频率
获得，由上述可知，电路输出信号即 Uadin 为：
的选择与控制非常方便， 用户可以在很大范围内自
Uadin=0.185GI
（3） 己决定采样频率；③A/D 转换无通道延迟，只需要对
CONVST 引脚进行控制，即可自动完成转换，可以利
消除了分立元件温漂大、抗干扰能力弱的缺陷。 采用 PWM 周期中点采样法，克服了功率管开关噪声对电流采样精度
的影响。 实验结果表明，整个电流采样系统线性度好、精度高、实时性好，为高品质电流环控制提供了可靠保证。
关键词：无刷直流电机； 电流采样； 电流闭环； 高精度
中 图 分 类 号 ：TP202
文 献 标 识 码 ：A
AD623 是在传统的三运放结构基础上改进的一 种新型仪表放大器， 用来将差动电压转化为单端电 压，具有优良的共模抑制比，线性度好，温度稳定性 高，体积小，可靠实用。 图 2 示出其单电源供电模式。
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第 44 卷第 5 期 2010 年 5 月
电力电子技术 Power Electronics
Vol.44， No.5 May，2010
直流无刷电机电流检测电路设计
图 1：检流运放放大电路
图 2：电机检流保护电路功能框图
该系统中，电机运行电压和控制信号电压分属 于不同的性质和大小级别，因此，电流检测电 路中的采样和保护电路还须整流等功能。普通 二极管可以实现各类整流，但由于其非线性的 特性，会使小信号发生失真，甚至使严重的畸 变。考虑利用集成运放加入深度负反馈来设计 一种可靠的高性能检测电路。该电路通过二极 管引入深度负反馈，保证在小信号时，uo 与 ui 保持良好的比例关系，相较于普通的整流电路， 大大地提高了电流精度。如图 1 所示。
目前检测电路电流的方法主要有检流电 阻、晶体管、电流互感器、罗氏线圈、霍尔效 应器件、比率式等方法。检流电阻配合 AD 采 样方式进行电流检测，可实现成本低，电路简 单，精度高等制作要求。本文采用低阻值电阻 进行电流采样，经过 LM358 运放构成的电路 进行整流及运算后，送入功率管，通过 ADC 采样，DSP 做出相应的控制处理信号。 2 电流检测电路设计
采用 LM358 高速双运算放大器，内部包 含两个独立运算放大器，高增益、内部频率补 偿。电源电压很宽，可实现单双电源工作模式。 使用 LM358 构成高精度半波整流电路和加法 器，可节省控制板空间，使电路设计更加简洁 和精巧。
直流无刷电机电流检测始端是将 A 相、 C 相中 -100A~100A 大电流转化为 -4V~4V 的 小电压信号。考虑到霍尔传感器体积较大，成 本较高，该检流电路由检流电阻和运算放大电 路组成。根据无刷直流电机 IA+IB+IC=0, 可得， IB=-(IA+IC)。B 相电流可由反相求和得到。， 得到 A、B、C 相电流后，分别对 A、B、C 使 用 LM358 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，得到进入功率管电流的瞬时值对 应的电压值。
一种无刷直流电机电流采样及保护电路的设计
如图 ! 所示
图 ! 半波高精度整流电路 >B8# ! \B8< D?=@B;B74 <:GE/O:P= ?=@ABEB=? @B?@3BA 在 "*U& 期 间 &2!2"2. 当 "* 还 很 小 时 H! 和 H" 均 截
止 运 放 处 于 开 环 状 态 开 环 放 大 倍 数 很 大 因 此 "* 只 需 稍 大 就 会 使 "& 足 够 大 且为 正 值 只要 "& 大 于 &#( 1 就会 使
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电流采样及保护电路的设计
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
3N 相 中 的 >,'' 3O,'' 3 大 电 流 转 化 为 >1 +O1 + 的 小 电 压
信 号 再 根 据 无 刷 直 流 电 机 三 相 电 流 的 特 性 P3MPQMPN-' 计 算 得出 PQ->7P3MPN; 因 此 Q 相 电流 可 以 通过 对 3N 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 . 所示
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（多图）一种无刷直流电机电流高精度采样及保护电路的设计
（多图）一种无刷直流电机电流高精度采样及保护电路的设计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，在输人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 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。
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在ui>0期间(0～t1、t2～t3)。
当ui还很小时，D1和D2均截止，运放处于开环状态，开环放大倍数很大。
因此ui只需稍大，就会使u0'足够大，且为正值。
只要u0'大于0.7 V，就会使D1导通，而D2截止(a点为零电位)，因此D1和Rf串联引入了适度的负反馈，这时的电路相当于反相比例放大电路，因此输出为。
输出u0与输入ui成比例关系，u0与波形-ui的形状相同，但按一定的比例放大或者缩小了，若R1=Rf，则u0=-ui。
由以上分析可知，即使输入电压ui小于二极管的起始导通电压，仍有输出。
在ui<0期间(t1～t2)。
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一种无刷直流电机电流高精度采样及保护电路的设计
关键字：无刷直流电机电流采样保护电路TL431 传感器
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，在输人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 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。
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
在ui>0期间(0～t1、t2～t3)。
当ui还很小时，D1和D2均截止，运放处于开环状态，开环放大倍数很大。
因此ui只需稍大，就会使u0'足够大，且为正值。
只要u0'大于0.7 V，就会使D1导通，而D2截止(a点为零电位)，因此D1和Rf串联引入了适度的负反馈，这时的
电路相当于反相比例放大电路，因此输出为。
输出u0与输入ui成比例关系，u0与波形-ui的形状相同，但按一定的比例放大或者缩小了，若R1=Rf，则u0=-ui。
由以上
分析可知，即使输入电压ui小于二极管的起始导通电压，仍有输出。
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
例如假设输入信号的频率为50 Hz，在该频率下运放的开环电压放大倍数为5x104，二极管的起始导通电压为0.5V，则最小整流电压(即输入信号)仅为10μA。
也就是说只要输入信号大于10 μA，整流器就进入正常工作状态;而对于普通二极管半波整流器，输入电压必须大于0.5 V(5×105μV)才能正常工作，其输入电压是前者的5万倍，可见该电路大大提高了整
流精度。
图3为该整流电路的传输特性，它是一条过原点斜率为的直线。
图3 整流电路的传输特性
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，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50A/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。
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3)。
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)x2.5/R2
图4 TL431恒压5V输出电路图
当R1取值为0的时候，R2可以省略，在本文中，使用TI431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
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
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。
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
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。