【導讀】針對某型號無刷直流電機的控制要求,本文設(shè)計了一種高精度采樣及保護電路,該電路可以對無刷直流電機工作時的三相電流進行實時采集,以便于控制系統(tǒng)進行閉環(huán)控制,并對電機和控制系統(tǒng)快速實施保護。最后通過實驗證明了該電路精度高、可靠性好,可以有效的保障控制系統(tǒng)和電機的正常運行。
在無刷直流電機控制系統(tǒng)中，電流采樣及保護電路作為其中的一個反饋環(huán)節(jié)，作用是對電機運行時的電流進行實時檢測采集，經(jīng)過處理后，把電流信號轉(zhuǎn)換為控制系統(tǒng)可以識別的小電壓信號，讓控制系統(tǒng)可以做出相應(yīng)的控制和保護動作。由于電機電流是交流電流，因此電流采樣及保護電路需要具備整流功能，普通整流電路的核心元件是具有單向?qū)щ娦阅艿亩O管，通常使用1個、2個或4個二極管組成半波、全波或者橋式整流電路。但二極管在小信號時表現(xiàn)為非線性，這將使整流的波形產(chǎn)生失真（小信號部分），更為嚴重的是，二極管存在死區(qū)電壓，在輸人信號小于死區(qū)電壓時，二極管并未導通，因此使輸出信號產(chǎn)生嚴重畸變，引起誤差，小信號時這種誤差將不可忽略。為了提高精度，文中利用集成運放的放大作用和深度負反饋產(chǎn)生的特性來克服二極管的非線性造成的誤差，為某型號無刷直流電機設(shè)計了一種可靠性高、精度高的采樣保護電路。
1 高精度半波整流電路
整流電路是把正、負交變的電壓轉(zhuǎn)換為單極性電壓的電路。本文的半波高精度整流電路是在比例放大電路中加入二極管，利用二極管的單向?qū)щ娦詫崿F(xiàn)正副兩半周內(nèi)引入不同深度的負反饋。按這種思路構(gòu)成的半波高精度整流電路如圖1所示。
圖1 半波高精度整流電路
在ui》0期間（0～t1、t2～t3）。當ui還很小時，D1和D2均截止，運放處于開環(huán)狀態(tài)，開環(huán)放大倍數(shù)很大。因此ui只需稍大，就會使u0‘足夠大，且為正值。只要u0’大于0.7 V，就會使D1導通，而D2截止（a點為零電位），因此D1和Rf串聯(lián)引入了適度的負反饋，這時的電路相當于反相比例放大電路，因此輸出為u0=-Rf/R1 * ui。輸出u0與輸入ui成比例關(guān)系，u0與波形-ui的形狀相同，但按一定的比例放大或者縮小了，若R1=Rf，則u0=-ui。由以上分析可知，即使輸入電壓ui小于二極管的起始導通電壓，仍有-Rf/R1輸出。
在ui《0期間（t1～t2）。當|ui|還很小時，D1和D2均為導通，這時運算放大器處于開環(huán)狀態(tài)，其開環(huán)放大倍數(shù)很大，因此|ui|只需稍大一些，運放輸出u0’就會很大，且為負值，這使二極管D1截止、D2導通，D2的導通給運放引入了深度的負反饋。由于a點電位為零（虛地），故u0’≈-0.7 V;而D1截止，且a點電位為零，故u0=0，即u0端波無波形。整個過程如圖2所示。
圖2 半波整流波形圖
假設(shè)輸入信號的頻率為50 Hz，在該頻率下運放的開環(huán)電壓放大倍數(shù)為5x104，二極管的起始導通電壓為0.5V，則最小整流電壓（即輸入信號）僅為10μA。也就是說只要輸入信號大于10 μA，整流器就進入正常工作狀態(tài);而對于普通二極管半波整流器，輸入電壓必須大于0.5 V（5×105μV）才能正常工作，其輸入電壓是前者的5萬倍，可見該電路大大提高了整流精度。圖3為該整流電路的傳輸特性，它是一條過原點斜率為-Rf/R1的直線。
圖3 整流電路的傳輸特性
2 電流采樣及保護電路的設(shè)計
2.1 霍爾傳感器
