如何设计开关磁阻电机保护电路？

开关磁阻电机在恶劣环境下工作容易受外部干扰而引起过大的冲击电流，而且IGBT在高频导通、关断状态下容易因受到冲击而损坏，进而可能烧毁电机的绕组。因此出于对电机安全的考虑，需要对功率电路提供系统的保护措施。目前保护电路中用的比较多的是功率主回路的电压、电流、过热保护［13］，但是针对极易引起系统灾难性后果的驱动电路掉电、主控芯片内存拥塞、指针紊乱等问题仍缺乏行之有效的系统保护措施。本节将对过压保护、过电流保护、驱动电路掉电保护、功率电路看门狗保护进行综合设计，实现功率主回路的可靠防护。

1）总截止保护电路设计

首先需要一个PWM封锁电路单元，对出现的异常情况做出PWM封锁操作，如图7.28所示。当绕组出现过压（OV）、过流（OC）、DSP故障（DSP ERR）、和驱动电路掉电（LP18V）中的任何一种故障情况时，每种情况所对应的引脚会被置高电平，经过74HC32的或门逻辑输出使能OE信号，这一信号接入到控制PWM输出的多路复用器上。电路正常工作时OE引脚处于低电平，控制PWM输出的复用器处于导通状态，PWM得以输出；当电路出现上面陈述的故障时，OE引脚处于高电平，PWM复用器处于关闭状态，PWM输出被截止，电机与电源的励磁回路也被截止，从而有效避免电机和驱动器的损坏。

图7.28　PWM封锁电路

2）过压保护电路设计

过压保护是为了避免电机因电源电压不稳定而被损坏。如图7.29所示，将参考门限电压信号接入到LM339的8号引脚，实时测量电压信号接入LM339的9号引脚中。当绕组的端电压过高时，由传感器测得的电压信号大于参考门限电压，此时LM339输出过压信号（OV）至PWM封锁电路，迅速截断PWM的输出，切断电源与电机的回路。

图7.29　过压保护电路

3）过电流保护电路设计

过电流保护电路的主要作用是防止电动机绕组电流的峰值电流超过功率开关元件额定值、对功率开关造成冲击损坏。相电流的过流判断通过电压比较的方式来确定，如图7.30所示。当采集得到的任何一相绕组电流大于设定的门限值后，LM339的比较输出引脚的电平置为高，该高电平信号使得PWM输出截止，从而起到限流的作用。(www.xing528.com)

图7.30　过流保护电路

4）驱动电路掉电保护设计

开关磁阻电机调速系统常应用于比较恶劣的环境中，比如油田、矿山等，在此环境下电路容易不稳定或者掉电。IGBT驱动电源掉电将直接影响IGBT的导通、关闭，从而导致电机处于危险的工作流程下，在主电路供电情况下甚至会导致器件击穿。

IGBT驱动保护电路是IGBT可靠、稳定、高效运行的基础，功率电子部件驱动电路掉电保护环节可以通过侦测IGBT驱动回路电源状态，对此类关键性故障进行实时处理。驱动电路掉电保护采用MAX813L芯片实时检测电源故障，电源故障输入端（PFI）连接待监测的驱动电路供电模块的18 V电源端，电路如图7.31所示。当该驱动供电电源电压正常时，MAX813L输出端保持高电平；当驱动供电电源电压变低或掉电时，输出端由高电平变为低电平。端口信号经过反相器后将故障信号（LP18V）送至PWM封锁电路，及时将IGBT关断，从而实现驱动电路掉电保护。

5）功率转换器看门狗保护设计

图7.31　驱动电路掉电保护电路

当DSP控制器因程序负担太重而“跑飞”时，其PWM输出端口处于不可控状态，如果PWM信号长时间置高则会使功率开关元件一直导通，将烧坏功率变换器和电机。为了避免DSP控制器在失控的情况下引起系统的损坏，设计了由CD4060计数器组成的功率变换器限时保护电路，CD4060由一振荡器和14级二进制串行计数器位组成，振荡器的结构采用晶振电路，如图7.32所示。DSP正常工作时，按照指定时间间隔向CD4060喂狗，即清零计数器，输出端口DSP ERR始终置底；当DSP程序“跑飞”时，DSP不能及时地向CD4060实施喂狗操作，此时CD4060输出计数器值达到限定值，DSP ERR端口将产生高电平来封锁PWM输出电路，从而对功率部件及系统起到保护作用。

图7.32　功率转换器看门狗保护电路