CN101414747A - 直流有刷电机的过流保护装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了直流有刷电机的过流保护装置，包括有微控制器、桥驱动电路、执行电路；微控制器的脉宽调制输出端口与桥驱动电路的脉宽调制接收端口相连通；桥驱动电路输出信号控制端口连接执行电路；执行电路的底端连接电流采样电阻R5到地，并且在执行电路与电流采样电阻R5的连接点构成电压检测点，电压检测点的电压信号一路与迟滞比较器输入端相连，电压检测点的电压信号另一路与比例放大器输入端相连接；迟滞比较器输出端与桥驱动电路的DIS端相连；比例放大器输出端与微控制器的模数转换采样端口相连接；其在硬件保护基础上引入软件检测主电路电流大小，设置软件中相关参数以达到在电路过流时对电子功率管和电机进行有效合理的保护。

Description

直流有刷电机的过流保护装置
技术领域
本发明涉及一种电机过流保护技术，尤其是涉及直流有刷电机的过流保护装置。
背景技术
在有刷直流电机控制电路的过流保护应用领域，通常做法是在执行电路的下桥臂开关管源极与地之间串一个或几个并联功率电阻，阻值视电流大小从几毫欧到几欧不等。从电阻与开关管源极连接处取电压信号经过处理输给微控制器或者其他硬件电路，当检测到此点电压信号高于某点设定值时控制电路响应设定动作实行电路过流保护。一般情况下，此检测信号直接给硬件电路，因为硬件电路响应速度快，由它来迅速关断电子功率开关管，可以有效保护开关管及电机不受过大电流而烧毁。但是硬件电路存在这样一个不足：它只能简单的判断是否过流。当电机发生堵转时，电机会在过流冲击——停止——过流冲击状态下反复经受电流冲击，可能会对功率开关管以及电机造成损坏。
如公告号为CN2783334Y的中国实用新型专利公开了一种过流检测装置，整个装置包括一个迟滞比较器U1，U1的一个输入端分别接检测电流电阻R9到电源和负载；另一端接经分压电阻R1和R2的连接点，作为参考电压点。R1另一端和稳压源相接，稳压源经一个浮地电阻R6与地相连。其工作原理是当U1检测到一端输入电压大于另一端的参考电压值时迟滞比较器立刻输出告警电平，触发后续电路采取对主电路进行保护措施。但是该电路的电流检测电阻接在电源端，如果应用在电源电压要经常波动并且波动幅度较大时，会造成告警电平的误输出。而且此过流保护只有硬件保护功能，在电机由于堵转或者重载情况下，发生电流冲击——迅速下降——冲击的长时间频繁起停现象，此现象很有可能造成功率开关管和电机的永久损坏。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供直流有刷电机的过流保护装置。其用于克服过流保护动作单靠硬件保护有可能引起电路不稳定性以及电源电压波动时对检测信号准确性的影响，在硬件保护基础上引入软件检测主电路电流大小，设置软件中相关参数以达到在电路过流时对电子功率管和电机进行有效合理的保护。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：直流有刷电机的过流保护装置，包括有微控制器、桥驱动电路、执行电路；其中：微控制器的脉宽调制输出端口与桥驱动电路的脉宽调制接收端口相连通；桥驱动电路输出信号控制端口连接执行电路；执行电路的底端连接电流采样电阻R5到地，并且在执行电路与电流采样电阻R5的连接点构成电压检测点，电压检测点的电压信号一路与迟滞比较器输入端相连，电压检测点的电压信号另一路与比例放大器输入端相连接；迟滞比较器输出端与桥驱动电路的DIS端相连；比例放大器输出端与微控制器的模数转换采样端口相连接；
微控制器的脉宽调制输出端口输出一个脉宽调制波输给桥驱动电路，的接收端口，桥驱动电路的6个输出端口分别为BHO端口经电阻R1与第一开关管K1的栅极相接、BHS端口直接与第一开关管K1的源级相接、BLO端口经电阻R3与第三开关管K3栅极相接、ALO端口经电阻R4与第四开关管K4栅极相接、AHS端口直接与第二开关管K2的源级相接、AHO端口经电阻R2与第二开关管K2栅极相接。
电阻R5为电流采样电阻，流过电机和相应开关管的电流通过它到地，由于电流通常比较大，电阻R5取值一般为毫欧级且功率要达到数瓦以上。
电阻R5一端的电压检测点一路经R8电阻输给迟滞比较器的反相端；另一路经电阻R13输给比例放大器的同相端。
上述的执行电路由第一开关管K1、第二开关管K2、第三开关管K3和第四开关管K4组成；其中第一开关管K1的漏极与第二开关管K2的漏极相连到电源VEE；第三开关管K3的源级与第四开关管K4的源级相连并连接到到电阻R5一端；第一开关管K1的源级与第三开关管K3的漏极相连，其连接点作为电机第一个供电端和桥驱动电路的BHS端口相连；第二开关管K2的源级与第四开关管K4的漏极相连，其连接点作为电机的第二个供电端和桥驱动电路的AHS端口相连。
上述的迟滞比较器包括有比较器U3、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11和供电电源VDD；电阻R8一端接电阻R5，另一端连接比较器的反相端；电阻R6一端接电源VDD，另一端分别与接地电阻R7和电阻R9相连；电阻R9另一端连接比较器U3的同相端和电阻R10；比较器U3输出端分别连接电阻R10、电阻R11和桥驱动电路的DIS端；电阻R11一端连接电源VDD。
上述的比例放大器包括有集成运放U4、电阻R12、电阻R13、电阻R14和供电电源VCC；电阻R13一端连接电阻R5，另一端连接集成运放U4的同相端；集成运放U4的反相端与接地电阻R12和电阻R14相连；其输出端与电阻R14的另一端和微控制器的AD1模数转换采样端口相连。
上述的迟滞比较器为下行迟滞比较器，比较器U3的同相端分别经输入电阻R9与分压电阻R6、电阻R7的公共端相接，作为比较器的参考电压阈值；比较器U3的反相端经电阻R8与电阻R5相接，作为电压检测信号输入。U3的输出端经反馈电阻R10和上拉电阻R11分别与其同相端和供电电源VDD相接。并且其输出告警电平直接和桥驱动电路的使能端相接。当流经电机的电流大到一定值时，迟滞比较器输出端电平由低变高，而桥驱动电路的使能端口DIS一旦接收到高电平则立刻关闭四个开关管，实现电路的硬件保护。
上述的比例放大器为同相比例放大器，集成运放U4的同相端经输入电阻R13与电阻R5相接；反相端经电阻R12和电阻R14分别与地和输出端相接。由于电阻R5上产生的电压信号比较微小需要对此信号进行放大，通过集成运放U4输出端输给微控制器U1的AD1模数转换采样端口进行采样。当微控制器AD1模数转换采样端口采样的电压值大于某一设定值时并且开始计时到设定的时间，此时微控制器的一个端口输出占空比为50％的脉宽调制波促使电机停转一段时间以达到避免电机长时间过流运行的目的。
与现有技术相比，本发明采用迟滞比较器来判断电流是否过流，增强电路的抗干扰性能，避免了检测电压在设定参考阈值电压附近微小的波动造成比较器输出端高频振荡的害处。检测电流功率电阻R5直接接地的好处是无论电源电压波动幅度有多大都不会影响其产生检测电压反应实际电流大小的准确性。更重要的是本发明在电路过流时在迅速响应硬件保护基础上将软件保护结合起来，达到对电机和开关管更合理有效的保护，延长其工作寿命。
附图说明
图1是本发明实施例的模块连接结构示意图；
图2是图1电路原理线路图；
图3是图1迟滞比较器输入电压与输出电压关系示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
附图标号说明：微控制器1、桥驱动电路2、执行电路3、电压检测点4、比例放大器5、迟滞比较器6。
实施例：图1至图3所示，直流有刷电机的过流保护装置，包括有微控制器1、桥驱动电路2、执行电路3；其中：微控制器1的脉宽调制输出端口与桥驱动电路2的脉宽调制接收端口相连通；桥驱动电路2输出信号控制端口连接执行电路3；执行电路3的底端连接电流采样电阻R5到地，并且在执行电路3与电阻R5的连接点构成电压检测点，电压检测点的电压信号一路与迟滞比较器6输入端相连，电压检测点的电压信号另一路与比例放大器5输入端相连接；迟滞比较器6输出端与桥驱动电路2的DIS端相连；比例放大器5输出端与微控制器1的模数转换采样端口相连接；
微控制器1的脉宽调制输出端口输出一个脉宽调制波输给桥驱动电路2，的接收端口，桥驱动电路2的6个输出端口分别为BHO端口经电阻R1与第一开关管K1的栅极相接、BHS端口直接与第一开关管K1的源级相接、BLO端口经电阻R3与第三开关管K3栅极相接、ALO端口经电阻R4与第四开关管K4栅极相接、AHS端口直接与第二开关管K2的源级相接、AHO端口经电阻R2与第二开关管K2栅极相接。
电阻R5为电流采样电阻，流过电机和相应开关管的电流通过它到地，由于电流通常比较大，电阻R5取值一般为毫欧级且功率要达到数瓦以上。电阻R5一端的电压检测点一路经R8电阻输给迟滞比较器的反相端；另一路经电阻R13输给比例放大器的同相端。
执行电路3由第一开关管K1、第二开关管K2、第三开关管K3和第四开关管K4组成；其中第一开关管K1的漏极与第二开关管K2的漏极相连到电源VEE；第三开关管K3的源级与第四开关管K4的源级相连并连接到到电阻R5一端；第一开关管K1的源级与第三开关管K3的漏极相连，其连接点作为电机第一个供电端和桥驱动电路2的BHS端口相连；第二开关管K2的源级与第四开关管K4的漏极相连，其连接点作为电机的第二个供电端和桥驱动电路2的AHS端口相连；桥驱动电路2的BHO端口经电阻R1与第一开关管K1栅极相连，BLO端口经电阻R3与第三开关管K3的栅极相连，ALO端口经电阻R4与第四开关管K4的栅极相连，AHO端口经电阻R2与第二开关管K2的栅极相连。
迟滞比较器6包括有比较器U3、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11和供电电源VDD；电阻R8一端接电阻R5，另一端连接比较器的反相端；电阻R6一端接电源VDD，另一端分别与接地电阻R7和电阻R9相连；电阻R9另一端连接比较器U3的同相端和电阻R10；比较器U3输出端分别连接电阻R10、电阻R11和桥驱动电路2的DIS端；电阻R11一端连接电源VDD。
比例放大器5包括有集成运放U4、电阻R12、电阻R13、电阻R14和供电电源VCC；电阻R13一端连接电阻R5，另一端连接集成运放U4的同相端；集成运放U4的反相端与接地电阻R12和电阻R14相连；其输出端与电阻R14的另一端和微控制器的AD1模数转换采样端口相连。
迟滞比较器6为下行迟滞比较器，比较器U3的同相端分别经输入电阻R9与分压电阻R6、电阻R7的公共端相接，作为比较器的参考电压阈值；比较器U3的反相端经电阻R8与电阻R5相接，作为电压检测信号输入；U3的输出端经反馈电阻R10和上拉电阻R11分别与其同相端和供电电源VDD相接；并且其输出告警电平直接和桥驱动电路的使能端相接；当流经电机的电流大到一定值时，迟滞比较器输出端电平由低变高，而桥驱动电路的使能端口DIS用于接收到高电平则立刻关闭四个开关管，完成电路的硬件保护。
比例放大器5为同相比例放大器，集成运放U4的同相端经输入电阻R13与电阻R5相接；反相端经电阻R12和电阻R14分别与地和输出端相接；由于电阻R5上产生的电压信号比较微小需要对此信号进行放大，通过集成运放U4输出端输给微控制器U1的AD1模数转换采样端口进行采样；当微控制器AD1模数转换采样端口采样的电压值大于某一设定值时并且开始计时到设定的时间，此时微控制器的一个端口输出占空比为50％的脉宽调制波促使电机停转一段时间以避免电机长时间过流运行。
微控制器1接收外部的控制信号的要求，输出相应占空比的脉冲调制波给桥驱动电路；桥驱动电路根据此脉冲调制波占空比的大小，通过BHO端口、BHS端口、BLO端口、AHO端口、AHS端口、ALO端口输出信号来控制执行电路的第一开关管K1、第二开关管K2、第三开关管K3和第四开关管K4导通开关时序，以达到对电机进行正反转及速度控制的目的。
执行电路下桥臂低端接电流检测电阻R5到地，在他们两者连接处会产生一个电压信号。此电压信号大小设为Vcheck，流经电机、开关管和电阻R5的电流设为Id，电阻R5的阻值为R。有如下简单关系式Vcheck＝Id·R，即检测电压Vcheck的值就可以判断电流Id的大小。此检测电压Vcheck分别提供给比较器U3的反相端和集成运放U4的同相端。
比例放大器由集成运放U4、输入电阻R12、R13和反馈电阻R14组成。其中检测电压Vcheck经电阻R13与集成运放U4的同相端连接，U4的反相端一路经电阻R12跟地连接，另一路经电阻R14与输出端连接，输出端输出放大Vcheck信号输给微控制器检测判断。设U4输出端电压信号为Vout1＝a·Vcheck，其中a是放大倍数。其工作原理是在微控制器程序里设置一个参考电压Vref1，随着检测电压Vcheck增大Vout1相应增大，当Vout1大于参考电压Vref1时并持续一段可设定时间，此时可判断电机已经工作在重载状态，通过微控制器输出占空比为50％的脉宽调制波强制电机停止一段可设定的时间，达到保护电机和开关管的目的。
迟滞比较器由比较器U3、分压电阻R6、R7，输入电阻R8、R9，反馈电阻R10和上拉电阻R11组成。其中检测电压Vcheck经电阻R8与比较器的反相端相接；电阻R6、R7对电源VDD进行分压，在其连接点提供参考电压Vref2经电阻R9与比较器同相端连接。同相端一路经电阻R10与输出端连接，输出端一路经电阻R11与电源VDD连接，另一路直接与驱动电路的DIS端连接。为了表述清楚参考图3，图中Vout2表示比较器U3输出端电压，UL表示阈值电压下限值，UH表示阈值电压上限值，Vcheck表示输入端的检测电压。其工作原理如下：当流经电机、开关管和电阻R4的电流Id增大相应的检测电压Vcheck也增大，当Vcheck大于UH时，输出电压Vout2变为低电平促使桥驱动电路立刻关断四个开关管，实现电路硬件保护。只有当电流下降对应的电压Vcheck小于UL时，输出电压Vout2重新变高，电路实现正常工作。采取迟滞比较器的好处是增强电路的抗干扰性能，避免了检测电压在设定参考阈值电压附近微小的波动造成比较器输出端高频振荡的害处。
由于直流有刷电机在实际运行过程中，启动时和突然加速时瞬间电流有可能会超过额定电流的6-8倍，所以设置硬件保护动作限流值要大于10倍额定电流。但是如果电机发生过载时，其电流值往往会达到额定电流的2-5倍，如果电机长时间在此过载电流下工作会造成电机发热，影响电机工作寿命。本发明采用微控制器检测通过电机电流的大小，首先设定一个过流警示值，此值假定为电机额定工作电流的2至3倍。当检测到电机的电流一直大于设定值时，并且持续时间达到某设定值时，微控制器输出占空比为50％的脉宽调制波，促使电机停转某一段可设定的时间，实现电路的软件保护。将硬件保护和软件保护结合起来，达到对电机和开关管更合理有效的保护，延长其工作寿命。
虽然本发明已通过参考优选的实施例进行了图示和描述，但是，本专业普通技术人员应当了解，在本发明的范围内，可作形式和细节上的各种各样变化。

Claims (7)

1、直流有刷电机的过流保护装置，包括有微控制器(1)、桥驱动电路(2)、执行电路(3)；其特征是：所述的微控制器(1)的脉宽调制输出端口与桥驱动电路(2)的脉宽调制接收端口相连通；所述的桥驱动电路(2)输出信号控制端口连接所述的执行电路(3)；所述的执行电路(3)的底端连接电流采样电阻R5到地，并且在所述的执行电路(3)与电流采样电阻R5的连接点构成电压检测点，所述的电压检测点的电压信号一路与迟滞比较器(6)输入端相连，所述的电压检测点的电压信号另一路与比例放大器(5)输入端相连接；所述的迟滞比较器(6)输出端与桥驱动电路(2)的DIS端相连；所述的比例放大器(5)输出端与微控制器(1)的模数转换采样端口相连接；
所述的微控制器(1)的脉宽调制输出端口输出一个脉宽调制波输给桥驱动电路(2)，的接收端口，桥驱动电路(2)的6个输出端口分别为BHO端口经电阻R1与第一开关管K1的栅极相接、BHS端口直接与第一开关管K1的源级相接、BLO端口经电阻R3与第三开关管K3栅极相接、ALO端口经电阻R4与第四开关管K4栅极相接、AHS端口直接与第二开关管K2的源级相接、AHO端口经电阻R2与第二开关管K2栅极相接。
2、根据权利要求1的直流有刷电机的过流保护装置，其特征是：所述的执行电路(3)由第一开关管K1、第二开关管K2、第三开关管K3和第四开关管K4组成；其中第一开关管K1的漏极与第二开关管K2的漏极相连到电源VEE；第三开关管K3的源级与第四开关管K4的源级相连并连接到到电阻R5一端；第一开关管K1的源级与第三开关管K3的漏极相连，其连接点作为电机第一个供电端和桥驱动电路(2)的BHS端口相连；第二开关管K2的源级与第四开关管K4的漏极相连，其连接点作为电机的第二个供电端和桥驱动电路(2)的AHS端口相连。
3、根据权利要求1或2的直流有刷电机的过流保护装置，其特征是：所述的迟滞比较器(6)包括有比较器U3、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11和供电电源VDD；所述的电阻R8一端接电阻R5，另一端连接比较器的反相端；所述的电阻R6一端接电源VDD，另一端分别与接地电阻R7和电阻R9相连；所述的电阻R9另一端连接比较器U3的同相端和电阻R10；所述的比较器U3输出端分别连接电阻R10、电阻R11和桥驱动电路(2)的DIS端；所述的电阻R11一端连接电源VDD。
4、根据权利要求3的直流有刷电机的过流保护装置，其特征是：所述的比例放大器(5)包括有集成运放U4、电阻R12、电阻R13、电阻R14和供电电源VCC；所述的电阻R13一端连接电阻R5，另一端连接集成运放U4的同相端；所述的集成运放U4的反相端与接地电阻R12和电阻R14相连；其输出端与电阻R14的另一端和微控制器的AD1模数转换采样端口相连。
5、根据权利要求3的直流有刷电机的过流保护装置，其特征是：所述的迟滞比较器(6)为下行迟滞比较器，比较器U3的同相端分别经输入电阻R9与分压电阻R6、电阻R7的公共端相接，作为比较器的参考电压阈值；比较器U3的反相端经电阻R8与电阻R5相接，作为电压检测信号输入；U3的输出端经反馈电阻R10和上拉电阻R11分别与其同相端和供电电源VDD相接；并且其输出告警电平直接和桥驱动电路的使能端相接；当流经电机的电流大到一定值时，迟滞比较器输出端电平由低变高，而桥驱动电路的使能端口DIS用于接收到高电平则立刻关闭四个开关管，完成电路的硬件保护。
6、根据权利要求4的直流有刷电机的过流保护装置，其特征是：所述的比例放大器(5)为同相比例放大器，集成运放U4的同相端经输入电阻R13与电阻R5相接；反相端经电阻R12和电阻R14分别与地和输出端相接；由于电阻R5上产生的电压信号比较微小需要对此信号进行放大，通过集成运放U4输出端输给微控制器U1的AD1模数转换采样端口进行采样；当微控制器AD1模数转换采样端口采样的电压值大于某一设定值时并且开始计时到设定的时间，此时微控制器的一个端口输出占空比为50％的脉宽调制波促使电机停转一段时间以避免电机长时间过流运行。
7、根据权利要求4的直流有刷电机的过流保护装置，其特征是：所述的电阻R5为电流采样电阻，流过电机和相应开关管的电流通过它到地，由于电流通常比较大，电阻R5取值一般为毫欧级且功率要达到数瓦以上；功率电阻R5一端的电压检测点一路经R8电阻输给迟滞比较器的反相端；另一路经电阻R13输给比例放大器的同相端。
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