FOC——14.15.过流保护电路与单片机外围电路

文章目录

1.过流保护电路
- 1.1.电路原理
- 1.2.单片机输出参考电压
- 1.3.后级电路分析
- - 1.3.1运放供电
  - 1.3.2后级输出滤波
  - 1.3.3.三极管外围电路
2.单片机外围电路
- 2.1.信号测试滤波电路
- 2.2电位器电路
- 2.3.按键电路
- 2.4.电源电压采样电路
- 2.5.DAC电路
- 2.6.串口通信电路
- 2.7.霍尔接口电路
- - 2.7.1工作原理
  - 2.7.2.电路分析
  - 2.7.3.元件取值

1.过流保护电路

1.1.电路原理

如下图所示，使用母线上的电阻进行母线电流采样，将两端压差通过运放放大之后得到Ibus输出电压。将这个电压和另一个过流保护的参考电压同时输入另一个运放，这里的运放用作比较器（这里使用比较器肯定比运放好，因为比较器的线性区短，而运放的线性区长），进行电压的比较，从而控制三极管输出高低电平，三极管的输出在输入到单片机的PWM模块故障输入引脚，从而在产生过流的时候及时关断PWM的输出。

1.2.单片机输出参考电压

这里的输出参考电压为了方便起见使用的是单片机内部输出PWM，然后再进行RC滤波得到一个直流电压，RC低通滤波部分如下图所示。这样只需要调整PWM的占空比，就能得到不同的过流保护电压。

如果设置单片机输出的PWM波的频率远大于RC滤波器的截止频率，那么最终得到的就像是一个直流电压。因为当信号通过RC滤波器之后，高于截止频率的信号会衰减直到0，而在截止频率之内的会保留。如下图所示，RC的低通滤波本质上还是可以理解为电容的充放电，调整RC的阻容值就可以调整充放电的斜率，实际也就是调整了截止频率。

1.3.后级电路分析

1.3.1运放供电

这里LM358运放使用的是5V供电，因为这个运放使用5V供电更稳定一些，但是使用3.3V供电也可以。使用5V供电之后，后面的三极管电电路就相当于一个电平转换电路，因为运放的输出是5V电平，而单片机的工作电平是3.3V。此外，后面的三极管由于有结电容，所以可以起到一定的滤波作用，天然的滤波。

1.3.2后级输出滤波

如下图所示，R110作为限流电阻可以保护单片机的引脚，这里组成一个RC滤波电路也可以进行输出信号的滤波，当电流频繁在过流保护点附近反转的时候，这里的滤波电路可以让输出更加平滑。这里的C76滤波电容对信号有一定的延时作用，所以这里的滤波不能很严重，也就是截止频率不能太低，不然影响过流保护的速度。

1.3.3.三极管外围电路

R118是下拉电阻，给三极管的基极一个确定的电平状态。102的电容起到滤波的作用。积极电阻提供三极管的基极电流，保证三极管工作在饱和状态，也就是开关的状态，而非放大的状态。

2.单片机外围电路

2.1.信号测试滤波电路

如下图所示，为信号测试的RC滤波电路。其中测试正弦信号的电路是为了看正弦波控制的时候单片机输出的PWM波形。测试相线信号的电路是为了看端电压波形。这里加入RC滤波电路的原因是真实的输出波形是带有PWM载波的，如果直接测这个波形看不到正弦波，只能看到呈正弦规律变化的脉冲波。所以这里加入RC滤波电驴将载波滤除掉，就可以看到正弦波或者端电压的波形了。

2.2电位器电路

102电容就是为了滤波，一般取值就选择102即可。

2.3.按键电路

这里使用了硬件消抖，实际就是使用RC组成了一个RC滤波器消除了按键动作时候的抖动。这里的上拉电阻一般选择10K即可，RC滤波器的阻容取值参考如下值即可。

2.4.电源电压采样电路

这里的输出分压一般要求输出在单片机供电电压的一半，因为这样可测的电压范围大。同样下面的102电容起到滤波的作用。上面的二极管是钳位二极管，假设二极管的导通电压是0.7V，那么分压点处的电压就会被钳位在4V，不会超过4V，这样是为了保护单片机。当然这里为了安全起见，可以选择导通电压很低的二极管，比如肖特基二极管，开启电压在0.2V到0.3V左右，更加安全。

这里分压电阻的选型一般选择让流过电阻的电流为1mA即可，这里是经验值，此时系统的干扰性强。

2.5.DAC电路

这里的DAC电路是为了看内部某些变量的波形，用示波器观察。这里的SPI输出引脚串联的电阻有两个作用，一是限流，二是对单片机引脚有一定的保护作用。

DAC芯片的输出引脚也串联了电阻，其实这个信号是直接接示波器的，这个电阻不接也可以。这里接了这个电阻有两个作用，一是限流，保护DAC芯片；二是可以起到一定的静电防护作用。

2.6.串口通信电路

使用的CH340芯片要求外部晶振必须是固定的12MHZ，不能改变。

此外图中信号线上串联了很多小电阻，这是为了防止信号震荡使用的。当走线比较长的时候，走线上的寄生参数比较多，很容易产生震荡，串联一个小电阻的话可以破坏寄生震荡的震荡点。这里串联的电阻是经验值，一般在100R以内即可，并且信号的频率越高，串联的电阻值越大，但是基本都在100R之内。

图中的ADuM3201ARZ芯片是一个电源隔离芯片，将USB的供电和单片机的供电隔离开来，这样可以防止当单片机这边出现异常的时候，将电脑的USB损坏。这个芯片的内部就是使用变压器的磁隔离，如下图所示。

2.7.霍尔接口电路

2.7.1工作原理

如下图所示，为霍尔芯片的内部结构。里面的电压调节器可以看成是一个稳压芯片，稳定电压的作用。霍尔元件就是一个具有磁效应的半导体，当把它放在磁场里面的时候，给芯片通电，流过半导体的载流子会受到力的作用发生偏转，这样在垂直于电流和磁场的方向就会产生电场，从而产生电势差。但是这个电势差太小了，所以需要使用差分放大器进行放大。

根据磁场的方向和磁场强度的不同，差分放大器输出的电压也不同，再经过一个施密特触发器就会输出高低电平信号。这个高低电平信号用于控制三极管输出，注意这里的三极管输出是OC输出的，所以想在外部输出高电平必须加上拉电阻。

关于信号的反转如下图所示，由图可见，当磁场方向发生变化的时候，霍尔传感器并不是马上发生电平的反转，而是等到磁场有一定的强度之后在发生反转。但是实际为了方便理解，并且实际当中这个磁滞区间也很小，这里可以忽略，就认为当磁场方向发生变化之后霍尔的输出也发生变化。

上面对应的是锁存器霍尔，还有线性霍尔，线性霍尔就是把施密特触发器去掉，内部如下图所示。

正磁场的定义：当S极对着霍尔传感器的正面时，为磁场的正方向，此时霍尔元件的输出为低电平。也就是当N极对着霍尔元件的正面时，输出为高电平。

这里的双极性锁存，值得是需要磁场的方向发生变化，才能发生输出电平的切换。而如果的单极性的输出，那么就是在一个方向的磁场的强度经过阈值的时候，发生输出电平的切换。单极性与双极性的区别如下图所示。

2.7.2.电路分析

这里的三路霍尔电路都是一样的。电源供电的10uF电容是储能电容，这里其实最好还要再并联一个小电容，因为霍尔信号怕干扰，放一个小电容的话可以滤除一些干扰。

对于霍尔电路来说，输入的信号和输出的信号刚好相反，也就是加了三极管电路之后将输出取反了，如下图所示。

这里加入三级管的作用有两个，一个是电平转化，二是利用三极管天然的滤波特性对霍尔信号进行滤波。这里使用的滤波方法使用了三极管，其实比较麻烦，实际上也可以使用如下的RC滤波电路进行一定的滤波作用。但是如果干扰比较大的话，使用三级管的这种接法更好一些。

2.7.3.元件取值

C36是滤波电容，R46是当霍尔元件输出低电平的时候进行放电的阻抗，放电回路如下图所示。注意此时放电不会经过右边的R49，因为右边的阻抗更大。R47是三极管的基极电阻，保证让三极管工作在饱和区。R49是三极管的下拉电阻，让基极有一个确定的电平状态，提高抗干扰能力。R43就是上拉电阻，R44是对单片机引脚的保护电阻，可以起到一定的防静电的作用。这里可以发现很多和单片机相连的引脚都加了一个保护电阻，后面的电路设计可以参考一下。这个保护电阻在布局的时候要尽量靠近单片机的引脚放置，这样即使有静电过来，也可以通过这个电阻消耗一定的能量。