電機(jī)保護(hù)器，本質(zhì)就是集成了電機(jī)的保護(hù)電路和器件，保護(hù)電路主要由欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、短路保護(hù)等組成，對(duì)于無刷直流電機(jī)，有控制器，在控制器里邊集成保護(hù)器，所以一般就是一些霍爾元件，穩(wěn)壓管，運(yùn)放，電阻，電容，三極管等器件，可以從電路上去理解的。而對(duì)于普通的交流異步電機(jī)而言，一般采用繼電器，接觸器，空開，熱繼電器，保險(xiǎn)等器件來組成保護(hù)器。
一、無刷直流電動(dòng)機(jī)保護(hù)器內(nèi)部電路和元件
1、電流檢測原理
要實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)，首要的任務(wù)是檢測電機(jī)的電流。通常有2種檢測電流的方法：
(1)小阻值無感采樣電阻。通常采用康銅絲或者貼片件，這是一種廉價(jià)的方案，但是要注意采樣電阻阻值的選取，功率要足夠大，同時(shí)電阻的電感要小，以排除感抗在電阻兩端引起的電壓降。
(2)霍爾電流傳感器。適合驅(qū)動(dòng)開發(fā)，采用lem公司的la28-np霍爾電流傳感器的電流測量，它的優(yōu)點(diǎn)是精度高，可靠性高。
在電流采樣的位置上也有2種方法可以選擇：
(1)相電流采樣。將采樣電阻或者霍爾電流傳感器置于每一相，假設(shè)三相電流分別為ia，ib和ic，又因?yàn)闊o刷電機(jī)的三相電流有如下關(guān)系：ia+ib+ic=0，所以只要檢測出無刷電機(jī)中兩相電流就可以得到另一相的電流信息。
(2)母線電流采樣。一般是將采樣電阻或者電力傳感器置于母線負(fù)側(cè)進(jìn)行電流采樣。
下面介紹一種基于lem霍爾電流傳感器采樣母線電流的方法，該方法精度高，可靠性高。
將霍爾傳感器la28置于母線負(fù)側(cè)到地之間進(jìn)行電流檢測，la28將檢測到的初級(jí)電流按1 000：1的比例進(jìn)行縮小，得到次級(jí)電流，次級(jí)電流經(jīng)過i／v電路之后轉(zhuǎn)化為方便a／d(模／數(shù)轉(zhuǎn)換模塊)采集的電壓量，但是i／v輸出的電壓信號(hào)含有豐富的pwm斬波的高次諧波分量，所以如果直接送單片機(jī)的a／d口，會(huì)檢測不到電壓信息，因此需要加信號(hào)調(diào)理電路，即將i／v電路得到的電壓送入巴特沃思(butterworth)二階低通濾波器進(jìn)行低通濾波。經(jīng)過低通濾波之后可以將高次諧波分量濾除，進(jìn)而得到直流分量，同時(shí)為了便于a／d口采集，將濾波后的小電壓信號(hào)進(jìn)行比例放大，之后送入a／d口進(jìn)行檢測。這個(gè)硬件電路示意圖如圖1所示。
i／v電路如圖2所示。
圖3給出了二階低通濾波器的設(shè)計(jì)方法。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，使r1=r2，c1=2c2，可以實(shí)現(xiàn)-40 db／10倍頻的頻率響應(yīng)。其截至頻率的計(jì)算公式為：
在實(shí)際電路中電阻電容取值為r=100 kω，c=1μf，截至頻率f=1．126 hz，從而將方波電壓信號(hào)的中高次諧波分量濾除，進(jìn)而得到平穩(wěn)的直流分量。
同相和反向比例電路是運(yùn)放最典型的應(yīng)用。經(jīng)低通濾波之后出來的直流電壓信號(hào)，其幅值比較低，所以要經(jīng)過同相比例運(yùn)算放大電路放大，進(jìn)行電壓放大，便于單片機(jī)的a／d口進(jìn)行采集。圖4中d22，d23為箝位二極管，保持輸入到單片機(jī)a／d口的電壓在0～5 v范圍之內(nèi)，選用1n4148即可。
2 電壓檢測原理
線電壓檢測電路的設(shè)計(jì)與電流檢測電路的設(shè)計(jì)大體相同，具體原理參照電流檢測原理。線電壓檢測硬件的整體電路結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。
3 保護(hù)方案
本文提出的保護(hù)方案主要是針對(duì)以ir2136芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電機(jī)，因?yàn)樗坏珜?shí)現(xiàn)了一套完整的無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，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(shí)能關(guān)閉高端mosfet，防止mos管長時(shí)間工作在高功耗狀態(tài)下。
3．1 過流保護(hù)方案
過流保護(hù)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(gòu)成比較電路，輸出送到單片機(jī)pwm模塊的flta進(jìn)行故障檢測，如果flta引腳為低電平，則pwm模塊硬件關(guān)斷pwm輸出。該過流保護(hù)為單片機(jī)集成的硬件級(jí)保護(hù)，響應(yīng)速度快。
(2)電流檢測電路輸出電壓經(jīng)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(nèi)部叩比較器動(dòng)作，fault引腳輸出低電平，rcin引腳連接的電阻電容構(gòu)成rc延時(shí)機(jī)制，延時(shí)之后過流狀態(tài)自動(dòng)清除。因?yàn)閒ault在過流和自身欠壓的情況下都會(huì)變?yōu)榈碗娖?。區(qū)別在于：過流情況下，fault引腳的電平時(shí)高時(shí)低，而自身欠壓的狀態(tài)下，fault會(huì)一直輸出低電平。該過流保護(hù)為ir2136集成的硬件級(jí)保護(hù)，響應(yīng)速度快。
(3)單片機(jī)設(shè)置軟件級(jí)的過流保護(hù)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(jí)別的過流保護(hù)，響應(yīng)速度較硬件級(jí)別保護(hù)慢，若在程序跑飛的情況下不能提供過流保護(hù)。
3．1．1 方案一
電流檢測電路配合lm311構(gòu)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(hào)(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(dòng)作；若發(fā)生過流時(shí)，電路輸出的電壓信號(hào)(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(dāng)單片機(jī)pwm模塊的flta檢測到低電平之后，設(shè)置pwm輸出無效電平(在此應(yīng)用中pwm有效電平為低電平，無效電平為高電平)從而使電機(jī)停轉(zhuǎn)。
電阻r42提供正反饋構(gòu)成滯回比較器，可以為整個(gè)電路起到50 mv的抗噪聲能力；分壓電阻采用滑動(dòng)變阻器，從而可以方便地設(shè)置過流門限。要注意的是：因?yàn)殡娮璺謮弘娐分苯咏拥絣m311的輸入端，而認(rèn)為lm311的輸入端電阻是無限大的，所以不會(huì)產(chǎn)生負(fù)載效應(yīng)，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(shí)連接到itrip的內(nèi)部比較器輸出0(低電平)，因?yàn)閞cin外接rc延時(shí)電路的原因，電容充電至1(高電平)，所以此時(shí)sr鎖存器s=0，r=1，根據(jù)sr鎖存器的特性表，不管當(dāng)前狀態(tài)如何，sr鎖存器都輸出0，表示沒有過流發(fā)生。
如果電壓值大于0．5 v，則會(huì)引發(fā)ir2136內(nèi)部電路一系列動(dòng)作。具體分析如下，itrip引腳連接的比較器輸出1(高電平)，經(jīng)過輸入噪聲濾波器確認(rèn)不是由噪聲引起的誤動(dòng)作之后，送到sr鎖存器的s端，即此時(shí)s端為1；同時(shí)比較器輸出的1(高電平)加到與rcin相連的mosfet柵極，從而引發(fā)mosfet漏極和源極導(dǎo)通，即rcin連接到低，而rcin在外部還連接了rc延時(shí)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(fā)生之后rcin內(nèi)部通過mosfet連接到地，所以電容沿著箭頭所示路徑放電。此時(shí)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(fā)生時(shí)，sr鎖存器的s=1，r=0。根據(jù)所學(xué)的sr鎖存器特性表，s=1，r=0，現(xiàn)態(tài)q=0，那么鎖存器輸出1(高電平)，表示有過流情況發(fā)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(jī)各種檢測端口進(jìn)行相應(yīng)的過流處理；另一路關(guān)斷上橋臂的3個(gè)mos管，從而使電機(jī)停轉(zhuǎn)實(shí)施保護(hù)。
3．1．3 單片機(jī)固件軟件級(jí)過流保護(hù)
單片機(jī)軟件中設(shè)定好過流門限數(shù)值之后，軟件通過a／d實(shí)時(shí)采集電流檢測電路輸出的電壓信號(hào)，并解算得到對(duì)應(yīng)的電流值，與過流保護(hù)門限值進(jìn)行比較。如果實(shí)時(shí)電流值大于過流門限值，則執(zhí)行相應(yīng)的電機(jī)保護(hù)動(dòng)作；如果實(shí)時(shí)電流值小于過流門限值，則繼續(xù)采集電流值進(jìn)行比較，以此循環(huán)。
軟件流程如圖9所示。
3．2 過壓保護(hù)
線電壓檢測電路的設(shè)計(jì)與電流檢測電路的設(shè)計(jì)大體相同。過壓：檢測直流母線電壓，如果高于上限電壓值，則發(fā)送警告信息幀，并停止驅(qū)動(dòng)電機(jī)。過壓保護(hù)如圖10所示。
電路簡單實(shí)用，直接檢測母線電壓，如果電壓高于程序中的設(shè)定值，則做出相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作。在軟件編程的時(shí)候采用了查詢法，即只有在進(jìn)行電壓檢測的程序段中打開a／d，檢測中斷標(biāo)志，然后讀數(shù)并返回電壓值，最后再關(guān)a／d，這樣不用在整個(gè)程序執(zhí)行過程中一直打開a／d采集模塊，從而提高了程序執(zhí)行的效率。
3．3 欠壓保護(hù)
欠壓：檢測直流母線電壓，如果低于下限電壓值，則發(fā)送警告幀，并停止驅(qū)動(dòng)電機(jī)，以保護(hù)電池。
欠壓保護(hù)：第一套方案和上面的過壓保護(hù)過程類似；第二套方案使用了ir2136內(nèi)部集成的自身工作電源檢測器。從ir2136內(nèi)部原理框圖可以看出，當(dāng)vcc欠壓時(shí)，fault輸出低電平，同時(shí)3個(gè)上橋臂的mos管被關(guān)斷。
4 實(shí)驗(yàn)測試
在實(shí)驗(yàn)室對(duì)設(shè)計(jì)制成的電路板進(jìn)行了測試。測試條件為：電機(jī)與直流母線電壓均為48 v(dc)，負(fù)載電機(jī)為750 w無刷直流電動(dòng)機(jī)，pwm斬波頻率為10 khz。
圖11便是用示波器觀察到i／v電路的電壓信號(hào)波形。通過電壓信號(hào)可以看出，電流信號(hào)的波形為方波，同時(shí)方波中含有豐富的pwm高次諧波分量，所以在送至單片機(jī)的a／d口之前，需要進(jìn)行信號(hào)調(diào)理。
二、普通電動(dòng)機(jī)保護(hù)器內(nèi)部電路和元件
1、短路保護(hù)
當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中發(fā)生短路故障或連接電動(dòng)機(jī)的線路發(fā)生短路時(shí)，fu1迅速熔斷（或自動(dòng)空氣斷路器迅速跳閘）使電動(dòng)機(jī)脫離電源，起到短路保護(hù)作用。
當(dāng)控制電路發(fā)生短路故障時(shí)，fu2 熔斷使 km 線圈失電，km 主觸點(diǎn)斷開，電動(dòng)機(jī)失電停機(jī)，起到短路保護(hù)作用。
2、欠壓保護(hù)
“欠壓”是指線路供電電壓低于電動(dòng)機(jī)額定電壓的 85%。
欠壓保護(hù)是指：電動(dòng)機(jī)能自動(dòng)脫離電源停轉(zhuǎn)，避免電動(dòng)機(jī)在欠壓下運(yùn)行的一種保護(hù)。當(dāng)外加電壓太低時(shí)，在反作用彈簧的作用下交流接觸器銜鐵釋放，主觸點(diǎn)斷開，同時(shí)其輔助觸點(diǎn)中的動(dòng)合觸點(diǎn)（自鎖觸點(diǎn)）斷開，電動(dòng)機(jī)脫離電源，起到欠壓保護(hù)作用。
3、失壓保護(hù)
失壓（零壓）保護(hù)是指：電動(dòng)機(jī)在正常工作情況下，由于外界某種原因引起突然斷電時(shí)，能自動(dòng)切斷電源；當(dāng)重新供電時(shí)，電動(dòng)機(jī)不會(huì)自行啟動(dòng)。這就避免了突然停電后，操作人員忘記切斷電源，來電后電動(dòng)機(jī)自行啟動(dòng)，而造成設(shè)備損壞或人身傷亡的事故。
4、過載保護(hù)
過載保護(hù)是指當(dāng)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)過載時(shí)能自動(dòng)切斷電動(dòng)機(jī)電源，使電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)的一種保護(hù)，最常用的過載保護(hù)是由熱繼電器來實(shí)現(xiàn)的。
當(dāng)電動(dòng)機(jī)過載時(shí)→熱繼電器 fr 動(dòng)作→導(dǎo)致其動(dòng)斷觸點(diǎn)斷開→km 線圈失電—→→km 主觸點(diǎn)斷開→電動(dòng)機(jī) m 停止。 →同時(shí)，km 自鎖觸點(diǎn)斷開，解除自鎖。
當(dāng)熱繼電器 fr 上的熱元件溫度降下來后，fr 的動(dòng)斷觸點(diǎn)需要手動(dòng)復(fù)位閉合。