无刷直流电动机保护电路的研究

1 引言
     对于三相桥式无刷直流电动机,保证其逆变电路正常工作是至关重要的。然而,在现实中,人们经常会碰到烧管子、炸模块等令人头疼的事,耗费了大量的时间,甚至功败垂成。根据我们的实践,在 IGBT (绝缘栅双极型晶体管)的应用中,驱动、保护和吸收这三个问题是必须全面考虑的。本文所介绍的是作者研究的无刷直流电动机保护电路。该电路设计简单、价格低廉、性能可靠,能有效的防止电动机起动时的过流损坏和运行期间栅极电路的误触发。
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2
的保护电路
     2.1 起动时的过流保护电路

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     无刷直流电动机在起动时,由于其转速很低,故转子磁通切割定子绕组所产生的反电动势很小,因而可能产生过大的电流。这时虽然不是短路电流,但电流上升率也会相当大。为了限制电流上升率和限制短路电流,必须附加过流检测及保护电路。当发生过流时,及时检出并立即关断 IGBT ,以切断主电路。我们设计的过流保护电路如图 1 所示。
     在主回路中我们串入了一个电感 L 1 和一个续流二极管 D 1 ,当电机起动时,由于电感的储能作用,因此限制了起动电流上升率,提高了起动的稳定性,使起动电流在几十微秒内不会超过 IGBT 的浪涌冲击能力。主回路中通过电动机的电流最终是经过电阻 R f (0.1 Ω ,5W ) 接地。因此, U f =R f *I M , 其大小正比于电动机的电流 I M , I M 也即是流过 IGBT 的电流。 U f 通过 10k 电阻与电压比较器 LM324 正相输入端相连,由于 R 1 =10K>>R f ,可近似认为没有电流流过 R 1 . 因而 LM324 正端输入为 U f . 图中所示 Vref 为过流保护动作设定电压。在正常导通工作期间, U f 小于 Vref , LM324 输出低电平。 MOS 管 V 1 、 V 2 、 V 4 和 V 6 均截止 ,IGBT 的栅极驱动电压不受影响 . 发生过流事故时 ,I M 增大 , 则 U f 也随之增大 , 当 U f 大于 Vref 时 ,LM324 输出高电平,启动定时器 . 同时 ,V 1 导通使 IGBT 的栅极电压降至

     稳压管的稳压值 V Z . 根据参考文献 [2], 在一定温度下 , 当 IGBT 短路时及时减小栅极驱动电压 V G , 可以使短路电流 I SC 减小 , 从而延长 IGBT 在不损坏前提下所能承受短路的时间 . 因此 , 当电压降至 V Z 后 , 如果在定时器设定时间到达之前故障消失 ,LM324 输出又为低电平 ,V 1 截止 ,Q 2 、 Q 4 、 Q 6 的栅极驱动电压又恢复正常 , 电机正常运行 . 如果在设定时间内故障仍不能排除 , 则定时器输出高电平 , 使 V 2 、 V 4 和 V 6 同时导通,由电路图知, Q 2 、 Q 4 、 Q 6 的栅极驱动电压近似为 0V, 关断了 Q 2 、 Q 4 、 Q 6 三只 IGBT, 即切断了主电路,电动机停车,达到了过流保护的目的。
     2.2 运行时的逻辑保护电路


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     电动机在运行期间,由于受到外界环境的干扰,逻辑开关控制信号可能产生误触发,造成桥臂短路。如图 2 所示。 Q 1 和 Q 4 、 Q 3 和 Q 6 、 Q 5 和 Q 2 分别组成三个桥臂。如果同一桥臂上的两个 IGBT 同时导通,即会产生所谓的桥臂短路现象, 使 IGBT 过流损坏。比如,当 Q 1 和 Q 4 同时导通,即会有短路电流流过两个 IGBT ,由于 Q 1 和 Q 4 支路中引线电感很小,短路电流的上升率和浪涌冲击电流均会很大,因而致使 IGBT 烧毁。为了避免误触发,我们设计了一种逻辑保护电路,这种电路结构简单,使同臂支路的两个 IGBT 的驱动信号互锁.

优点:

  a) 电子换向来代替传统的机械换向,性能可靠、永无磨损、故障率低,寿命比有刷电机提高了约6倍,代表了电动车的发展方向;

  b) 属静态电机,空载电流小;

  c) 效率高;

  d) 体积小。

  缺点:

  a) 低速起动时有轻微振动,如速度加大换相频率增大,就感觉不到振动现象了;

  b) 价格高,控制器要求高;

  c) 易形成共振,因为任何一件东西都有一个固有振动频率,如果无刷电机的振动频率与车架或塑料件的振动频率相同或接近时就容易形成共振现象,但可以通过调整将共振现象减小到最小程度。所以采用无刷电机驱动的电动车有时会发出一种嗡嗡的声音是一种正常的现象。

  d) 脚踏骑行时较费力,{zh0}是电力驱动与脚踏助力相结合 现货供应大功率DC-DC直流转换器,直流升压器,36V/48V/60V电动车逆变器,电动车智能直流转换器.12V-120v电动车控制器等...
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