無刷直流電機的保護電路

3 保護方案
本文提出的保護方案主要是針對以IR2136芯片作為電機驅動器的電機，因為它不但實現了一套完整的無刷直流電動機驅動，而且它還集成了自身工作電源欠壓檢測器，檢測到芯片的Vcc或Vbs欠壓時能關閉高端MOSFET，防止MOS管長時間工作在高功耗狀態下。
3．1 過流保護方案
過流保護方案共有3套，其中包括兩套硬件過流方案和一套軟件過流方案。
(1)電流檢測電路和LM311構成比較電路，輸出送到單片機PWM模塊的FLTA進行故障檢測，如果FLTA引腳為低電平，則PWM模塊硬件關斷PWM輸出。該過流保護為單片機集成的硬件級保護，響應速度快。
(2)電流檢測電路輸出電壓經過分壓之后送到IR2136的ITRIP引腳，如果ITRIP引腳電壓高于0．5 V，則引起IR2136內部叩比較器動作，FAULT引腳輸出低電平，RCIN引腳連接的電阻電容構成RC延時機制，延時之后過流狀態自動清除。因為FAULT在過流和自身欠壓的情況下都會變為低電平。區別在于：過流情況下，FAULT引腳的電平時高時低，而自身欠壓的狀態下，FAULT會一直輸出低電平。該過流保護為IR2136集成的硬件級保護，響應速度快。
(3)單片機設置軟件級的過流保護程序代碼，通過A／D口采集電流檢測電路輸出電壓，以判斷是否過流。這屬于軟件級別的過流保護，響應速度較硬件級別保護慢，若在程序跑飛的情況下不能提供過流保護。
3．1．1 方案一
電流檢測電路配合LM311構成過流檢測電路如圖6所示。

正常情況下，在電流檢測電路中，電路輸出的電壓信號(接到LM311的反相輸入端)小于電阻分壓電路輸出電壓(接到LM311的同相輸入端)，LM311輸出高電平，電路無動作；若發生過流時，電路輸出的電壓信號(接到LM311的反相輸入端)大于電阻分壓電路輸出電壓(接到LM311的同相輸入端)，LM311輸出低電平，當單片機PWM模塊的FLTA檢測到低電平之后，設置PWM輸出無效電平(在此應用中PWM有效電平為低電平，無效電平為高電平)從而使電機停轉。
電阻R42提供正反饋構成滯回比較器，可以為整個電路起到50 mV的抗噪聲能力；分壓電阻采用滑動變阻器，從而可以方便地設置過流門限。要注意的是：因為電阻分壓電路直接接到LM311的輸入端，而認為LM311的輸入端電阻是無限大的，所以不會產生負載效應，可以放心使用。
3．1．2 方案二
IR2136集成的過流檢測功能如圖7所示。

如果電壓值小于0．5 V，則電路正常工作；此時連接到ITRIP的內部比較器輸出0(低電平)，因為RCIN外接RC延時電路的原因，電容充電至1(高電平)，所以此時SR鎖存器S=0，R=1，根據SR鎖存器的特性表，不管當前狀態如何，SR鎖存器都輸出0，表示沒有過流發生。
如果電壓值大于0．5 V，則會引發IR2136內部電路一系列動作。具體分析如下，ITRIP引腳連接的比較器輸出1(高電平)，經過輸入噪聲濾波器確認不是由噪聲引起的誤動作之后，送到SR鎖存器的S端，即此時S端為1；同時比較器輸出的1(高電平)加到與RCIN相連的MOSFET柵極，從而引發MOSFET漏極和源極導通，即RCIN連接到低，而RCIN在外部還連接了RC延時電路，如圖8所示。
過流之前，電容被充電至Vcc，并連接到RCIN，但是過流發生之后RCIN內部通過MOSFET連接到地，所以電容沿著箭頭所示路徑放電。此時RCIN引腳為0(低電平)，RCIN又連接到SR鎖存器的R端，所以過流發生時，SR鎖存器的S=1，R=0。根據所學的SR鎖存器特性表，S=1，R=0，現態Q=0，那么鎖存器輸出1(高電平)，表示有過流情況發生。鎖存器輸出分為兩路(如箭頭所示)，一路使FAULT輸出低電平，FAULT可以接到單片機各種檢測端口進行相應的過流處理；另一路關斷上橋臂的3個MOS管，從而使電機停轉實施保護。
3．1．3 單片機固件軟件級過流保護
單片機軟件中設定好過流門限數值之后，軟件通過A／D實時采集電流檢測電路輸出的電壓信號，并解算得到對應的電流值，與過流保護門限值進行比較。如果實時電流值大于過流門限值，則執行相應的電機保護動作；如果實時電流值小于過流門限值，則繼續采集電流值進行比較，以此循環。