萬文斌，蘇振東，陳鵬程，孫晨光

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，合肥 230009)

前言

在電動叉車領(lǐng)域中，存在著直流電動機(jī)驅(qū)動和異步電動機(jī)驅(qū)動兩種。直流電動機(jī)具有良好的啟動特性和調(diào)速特性，但是它存在著直流換向問題，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)檢修不方便，而且消耗有色金屬多。異步電動機(jī)的啟動特性和調(diào)速特性不如直流電動機(jī)，但是異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)檢修也方便，更為重要的是它不存在換向問題。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，異步電動機(jī)的調(diào)速特性越來越好，逐漸成為電動叉車驅(qū)動控制領(lǐng)域的主流。在電動叉車領(lǐng)域中，異步電機(jī)驅(qū)動都具有低電壓大電流的特點(diǎn)，所以過電流保護(hù)非常重要。

1 電流檢測

系統(tǒng)利用霍爾元件來實(shí)現(xiàn)對信號的檢測，霍爾元件應(yīng)用的基本原理是霍爾效應(yīng)?；魻栃?yīng)是一種磁敏效應(yīng)，如在半導(dǎo)體薄片的長度方向上施加一定磁感應(yīng)強(qiáng)度的磁場，則在寬度方向上產(chǎn)生電動勢。電機(jī)電流在磁環(huán)內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)磁場，感應(yīng)磁場在霍爾元件上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，并且感應(yīng)電動勢與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比，而磁感應(yīng)強(qiáng)度又與電流成正比，故而霍爾電壓與電流值成正比，基于這種正比關(guān)系可以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)電流的檢測。

用霍爾元件UGN3503LT和磁環(huán)構(gòu)成電流信號檢測電路。UGN3503LT由電壓調(diào)整器、霍爾電壓發(fā)生器、線性放大器和射極跟隨器組成，其輸入是磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸出是電壓。電流檢測信號原理示意圖如圖 1所示：

圖1 UGN3503LT電流檢測信號示意圖

圖1 中，UGN3503LT的 1腳接穩(wěn)壓器輸出的+5V電源，2腳接地，3腳為電壓輸出端。在磁環(huán)上的繞線與電機(jī)繞組串聯(lián)，磁環(huán)上繞線匝數(shù)為1。當(dāng)電源為+5V且磁場強(qiáng)度為0T時，UGN3503LT的輸出為2.5V，并有較高的靈敏度。UGN3503LT的有效輸出范圍為1V～4V，而TMS320LF2407的A/D采樣口的允許電壓范圍為0V～3.3V，因而需要轉(zhuǎn)換電路。在實(shí)踐中，系統(tǒng)對三相電機(jī)中的兩相電流進(jìn)行采樣，另一相可以根據(jù)三相電流和為零的原理計(jì)算出來。其轉(zhuǎn)換電路如圖所示：

圖2 電流檢測電路

霍爾元件的輸出電壓VOUT與DSP的A/D采樣口輸入端的電壓VAD之間的關(guān)系為：

在實(shí)踐中，磁環(huán)上繞線匝數(shù)為1匝，電機(jī)電流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場與電機(jī)電流之間不是純粹的線性關(guān)系。如果每次電機(jī)電流增加10A，對應(yīng)的霍爾元件輸出的電壓幅值隨著電機(jī)電流的增大而變大。當(dāng)電機(jī)電流由40A增加到50A時，對應(yīng)的霍爾元件輸出的電壓幅值為0.02V；當(dāng)電機(jī)電流由70A增加到80A時，對應(yīng)的霍爾元件輸出的電壓幅值為 0.05V。為了確定電機(jī)電流與DSP的A/D采樣口的電壓關(guān)系，采用多點(diǎn)測量再進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合的辦法。

由于霍爾元件為磁感應(yīng)元件，容易受環(huán)境影響，所以應(yīng)對系統(tǒng)進(jìn)行初值消除。當(dāng) DSP得到采樣信號時，DSP開始把霍爾元件采集的數(shù)據(jù)減去零電流值進(jìn)行初值消除，提高測量精度。

2 硬件過電流保護(hù)

系統(tǒng)的功率模塊采用功率 MOS管，其驅(qū)動模塊采用IR2110S驅(qū)動芯片。IR2110S具有獨(dú)立的低端和高端輸入通道；懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達(dá)600V，在15V下靜態(tài)功耗僅為116mW；邏輯電源電壓范圍為 3.3V～20V，可方便地與 TTL或CMOS電平相匹配。開通、關(guān)斷延遲時間小，分別為120ns和 94ns。

由于DSP軟件處理時間為毫秒級別，來不及處理瞬時過電流和短路電流。如果 MOSFET管被瞬時擊穿，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)Q相紊亂，從而損壞MOSFET管，因而需要硬件保護(hù)電路。功率模塊硬件保護(hù)電路圖如下所示：

圖3 功率模塊硬件保護(hù)電路

以第一相為例，其他兩相相同。VU和VGU2有四種情況：同時為高，同時為低，VU為高而VGU2為低，VU為低而VGU2為高。假如2管（2管為MOSFET 2）關(guān)斷時，VGU2為低電壓，此時硬件保護(hù)電路輸出的VSD為低電壓，IR2110S正常工作。假如 2管開通且電流不大，VGU2為高電壓，而VU為低電壓，二極管D3導(dǎo)通，將放大器的負(fù)端引腳的電壓值鉗制為VU的電壓值加上二極管的導(dǎo)通壓降。VU的電壓值為流過2管的電流值與2管的導(dǎo)通電阻值的乘積，由于電流不大，VU的電壓值與二極管的導(dǎo)通壓降之和小于VVREF，VSD為低電壓，IR2110S正常工作。假如 2管開通且電流較大，VU和VGU2同時為高，VU的電壓值與二極管的導(dǎo)通壓降之和大于VVREF，VSD為高電壓，IR2110S立即關(guān)閉，所有功率管都關(guān)斷，從而保護(hù)功率模塊不被擊穿。

如果逆變電路出現(xiàn)短路的情況，電流瞬間就會變得很大，VSD就為高電壓，IR2110S立即關(guān)閉，所有功率管都關(guān)斷，進(jìn)而保護(hù)了整個電路。由于逆變電路接的負(fù)載為電機(jī)，電流中就不可避免出現(xiàn)毛刺，就會有VU和VGU2同時為低的情況，二極管D2導(dǎo)通，從而將VU的電壓值鉗制為0，使得2管承受的反向電壓不高。

3 程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用 CCS3.3平臺進(jìn)行編程，主程序由以下幾個部分組成：

（1）DSP上電復(fù)位運(yùn)行后對各種內(nèi)存單元進(jìn)行初始化，設(shè)定各個端口的參數(shù)，然后計(jì)算電機(jī)運(yùn)行所需參數(shù)。

（2）進(jìn)行上電檢測、方向開關(guān)檢測以及 SRO、HPD檢測。如果通過檢測，則進(jìn)入下一階段；如果沒有通過檢測，則循環(huán)檢測，直到通過為止。

（3）進(jìn)行A/D采樣和運(yùn)行模式選擇。運(yùn)行模式分為兩種：快速啟動模式和一般啟動模式。實(shí)驗(yàn)中采用一般啟動模式。

（4）判斷采樣電流是否大于上限值。如果是，則進(jìn)行過流保護(hù)處理；如果不是，則進(jìn)行電流補(bǔ)償。由于控制對象為低壓大電流異步電機(jī)，電流比較大，而電機(jī)電壓較低，在電機(jī)定子繞組上的壓降損耗就不能忽略不計(jì)，故而得進(jìn)行電流補(bǔ)償。

（5）進(jìn)入 SVPWM 發(fā)波中斷。如果電源關(guān)斷，則整個運(yùn)行過程結(jié)束；如果電源仍然開通，則進(jìn)行上電檢測，循環(huán)運(yùn)行。

主程序流程框圖如圖4所示：

圖4 主程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中所設(shè)定的電流上限值為100A。實(shí)驗(yàn)波形為UGN3503LT的 3腳輸出的電壓波形，電機(jī)電流為100A時，對應(yīng)的電壓波形的峰峰值為2V。有四個實(shí)驗(yàn)波形，分別如下所示。

空載穩(wěn)定時的電流波形如圖5所示。

圖5 空載穩(wěn)定時的電流波形

突加負(fù)載時的電流波形如圖6所示。

圖6 突加負(fù)載時的電流波形

帶載穩(wěn)定時的電流波形如圖7所示。

圖7 帶載穩(wěn)定時的電流波形

帶載起動時的電流波形如圖8所示。

圖8 帶載起動時的電流波形

5 結(jié)論

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，無論是帶載起動還是突加負(fù)載，示波器顯示的電流波形的峰峰值始終在2V以內(nèi)，即電機(jī)電流控制在100A以內(nèi)，足可顯示此系統(tǒng)過流保護(hù)功能良好。在實(shí)驗(yàn)波形中，確實(shí)存在毛刺，在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之前，會進(jìn)行一次電路濾波處理。在程序里，還會對電流采樣值進(jìn)行一次濾波，這樣可以減小毛刺的影響。

選用霍爾元件 UGN3503LT和 DSP系列中的TMS320LF2407設(shè)計(jì)出15V/100A的異步電機(jī)過流保護(hù)，具有電流檢測、過流保護(hù)和短路保護(hù)等功能。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，此系統(tǒng)反應(yīng)速度快、操作方便以及可靠性高，能夠?qū)崿F(xiàn)對電機(jī)過流保護(hù)的設(shè)計(jì)要求，可使用于類似的系統(tǒng)中。

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