CN102035446B

CN102035446B - 用于检测电动机中的高电流状况的系统和方法

Info

Publication number: CN102035446B
Application number: CN2009101757018A
Authority: CN
Inventors: 赵宗睿
Original assignee: STMicroelectronics Shanghai R&D Co Ltd
Current assignee: STMicroelectronics Shanghai Co Ltd; STMicroelectronics Shanghai R&D Co Ltd
Priority date: 2009-09-29
Filing date: 2009-09-29
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2029-09-29
Also published as: CN102035446A; US8624536B2; US20110074328A1

Abstract

本发明涉及用于检测电动机中的高电流状况的系统和方法。在一个实施方式中，公开一种用于控制电动机的系统。所述系统具有：驱动器电路，其配置用于驱动电动机；电流感测阻抗，其耦合至驱动器电路；以及过载检测电路，其耦合至所述电流感测阻抗，所述过载检测电路具有晶体管和检测输出端点。

Description

用于检测电动机中的高电流状况的系统和方法

技术领域

本发明总体上涉及电子电路，并且更具体地，涉及用于感测电动机中的高电流状况的系统和方法。

背景技术

电动机已经用于各种各样的消费者和工业应用，诸如交通、制造以及家用电器。尽管电动机已经存在了多年，随着电动机技术的进展，已经应用了更为复杂的电动机控制方法。具体地，变速感应电动机和永磁无刷DC电动机已经变得越发普及。此类系统通常需要固态驱动器器件、电动机位置感测器以及基于微处理器的电动机控制器。

在典型的三相变速感应电动机中，向三个定子线圈提供随时间变化的电流，以生成旋转磁场。该随着时间变化的磁场导致包含永久磁体的转子启动。电动机的速度部分由电动机控制单元所控制的、随时间变化的电流的频率来确定。

在电动机暴露于可变负载的应用中，例如在电动自行车或者厨房电器中，定子线圈所需的电流与所驱动的物理负载成比例。在阻止电动机启动的情况中(例如在事故或者极重负载的情况下)，或者是在电动机经历短路的情况中，电动机控制器内的电流驱动器可能经历高度的电应力并且吸纳高电流。如果电动机控制器所提供的电流过高，电动机控制器可能快速损坏。高电动机电流还导致了高功耗、不佳的电动机效率、频繁的电动机故障。

某些现有技术系统经由闭合电流控制环路来限制对电动机的电流，从而解决高负载下的电动机高电流问题。依赖于闭环控制来限制电动机电流的问题在于，闭环响应时间可能过慢，以致无法避免电动机和电动机控制器的损坏。其他现有技术系统采用复杂的电流感测器，这增加了电动机控制系统的成本和复杂性。

在电动机领域，需要检测电动机内高电流状况的快速、经济的系统和方法。

发明内容

在一个实施方式中，公开一种用于控制电动机的系统。该系统具有：驱动器电路，其配置用于驱动电动机；电流感测阻抗，其耦合至所述驱动器电路；以及过载检测电路，其耦合至所述电流感测阻抗，所述过载检测电路具有晶体管和检测输出节点。

在另一实施方式中，公开一种用于感测驱动器中过载状况的电路。该电路具有感测阻抗，其配置用于耦合至驱动器和过载检测器。该过载检测器包括：晶体管，其具有耦合至所述感测阻抗的控制节点；耦合至过载信号的输出节点；以及耦合至参考电压的参考节点。

在又一实施方式中，公开一种用于感测电动机中过载状况的方法。该方法包括：监测跨过与耦合至电动机的驱动器的回路相耦合的分流电阻的电压。监测包括：利用晶体管的控制节点来感测分流电阻的节点，如果该分流电阻的节点处的电压超过阈值，则导通该晶体管，以及如果晶体管被导通，则激活过载信号。

上文已经概括而非宽泛地给出了本公开内容的特征。本公开内容的附加特征将在此后描述，其形成了本发明权利要求的主题。本领域技术人员应当理解，可以容易地使用所公开的构思和具体实施方式，作为修改和设计其他结构或者过程的基础，以便执行与本发明相同的目的。本领域技术人员还应当理解，这些等同结构没有脱离所附权利要求书中记载的本发明的主旨和范围。

附图说明

为了更为完整地理解本公开内容及其优点，现在将结合附图参考下文描述，其中：

图1示出了一种实施方式的电动机系统的示意图；

图2示出了一种实施方式的电流检测电路；

图3示出了另一实施方式的电流检测电路；以及

图4示出了显示一个实施方式的电动机系统的电流检测性能的波形图。

除非指明，否则不同附图中的相应标记和符号一般表示相应的部分。绘制附图是为了清晰地示出本公开内容的实施方式的有关方面，而未必是按照比例绘制的。为了更为清晰地示出某些实施方式，在附图标记之后可能跟随有字母，其指示相同结构、材料或者过程步骤的变形。

具体实施方式

下面详细讨论实施方式的实施和使用。然而，应当理解，本发明提供了多个可应用的创造性构思，其可以在各种各样的特定上下文中具体化。所讨论的具体实施方式仅仅示范性地说明实施和使用本发明的特定方式，而非限制本发明的范围。

将关于特定上下文中的实施方式来描述本发明，也即，用于检测电动机中高电流状况的系统和方法。本发明的实施方式也可以应用于需要对短路和其他高电流状况引起的高电流进行检测的其他电路和系统。

图1示出了按照本发明实施方式的用于电动自行车136的驱动系统100。驱动系统100具有电动机控制系统102，其耦合至电动机132和电动机位置感测器134。在一个实施方式中，电动机132是三相永磁无刷DC电动机。在备选实施方式中，电动机132可以具有与三相感应电动机不同的架构，例如，单相DC电动机或者步进式电动机。电动机位置感测器134耦合至电动机132，并且使用本领域已知的电动机感测技术，例如，霍尔效应感测器或者反EMF(BEMF)信号，来感测电动机位置和/或速度。电动机位置感测器134的输出耦合至电动机控制单元(MCU)130，并且用作电动机闭环控制的反馈信号。在一个实施方式中，电动机控制系统102利用印刷电路板(PCB)上的组件来实现。在备选实施方式中，MCU 130中的某些或者全部组件实现在集成电路上。

MCU 130按照传统技术来提供驱动器控制信号p1、p2和p3，例如使用脉冲宽度调制(PWM)的驱动信号。驱动器108、110和112对驱动器控制信号p1、p2和p3进行缓冲，从而向三相MOSFET驱动器104提供驱动信号。驱动器108、110和112参考15V供电电压，然而在备选实施方式中可以使用其他驱动器供电电压。三相MOSFET驱动器104具有NMOS器件116、120、124、114、118和122，其被配置为三个倒相器。每个NMOS器件优选地集成有源极-漏极二极管。在备选实施方式中，可以省略二极管和/或可以将其他晶体管类型用于某些或者全部驱动器晶体管，例如PMOS、JFET或者BJT器件。半侧MOSFET驱动器104的漏极节点耦合至电动机132的定子输入。在本发明的备选实施方式中，可以使用其他驱动器器件类型，例如，用于永磁同步电动机(PMSM)、感应电动机等的驱动器。

三相MOSFET驱动器104还耦合至电源142。在一个实施方式中，电源是36或者48VDC电池。在备选实施方式中，可以使用其他电源，诸如开关式电源或者壁式功率转换器。取决于具体应用或者其需求，同样可以使用除36或者48VDC之外的其他电源电压电平。

跨过耦合至MOSFET驱动器104的接地端子的分流电阻R_SHUNT，测量通过MOSFET驱动器104的返回电流。优选地，电阻R_SHUNT大约为2mΩ，当然，在备选实施方式中可以使用其他值。通过电流检测电路106来监测跨过R_SHUNT的电压V_SHUNT，该电流检测电路106提供积分电流信号V_IC和过载检测信号OVL。优选地，电流信号V_IC与V_SHUNT的积分成比例，以便降低电动机控制环路中的稳态误差。在备选实施方式中，电流信号V_IC可以与V_SHUNT成比例，或者省略。在MCU 130数字化实现的实施方式中，信号V_IC由MCU 130中的模数(A/D)转换器来监测。备选地，A/D转换器可以在MCU 130之外。在MCU 130实现为模拟电动机控制器的实施方式中，可以不需要A/D转换器。

当电流检测电路106检测到高电流状况时，过载检测信号OVL变为有效。优选地，信号OVL是参考5V的低态有效数字TTL或者CMOS信号，然而在备选实施方式中，OVL可以是高态有效的，并且按照参考其他供电电压的其它数字信令标准来操作。当电流检测信号OVL变为激活时，MCU 130通过关断MOSFET驱动器104内的NMOS器件114、116、118、120、122和124，去激活电动机132，从而避免对MOSFET驱动器104和电动机132的损坏。

图2示出了实施方式的电流检测电路200的示意图。电流检测电路200具有耦合至V_SHUNT的晶体管Q1，其中V_SHUNT是跨过电流检测电阻R_SHUNT(图1)的电压。Q1经由与电容C_P并联的串联电阻R_S耦合至V_SHUNT。电阻R_L是下拉电阻，其耦合至晶体管Q1的集电极。在一个实施方式中，电阻R_S优选地为大约2KΩ，电容C_P优选地为大约1000pF，并且R_L优选地为大约20KΩ。优选地，Q1是2N5551双极结型晶体管(BJT)，然而在备选实施方式中，可以使用其他的晶体管类型和技术，诸如MOSFET、JFET等。备选地，可以使用R_S、R_L和C_P的其他值。此外，取决于应用及其需求，R_S和C_P可以省略，而R_L可以替换为备选负载，诸如电流源。电阻R_S对来自电流检测电阻R_SHUNT的晶体管Q1的基极进行缓冲。C_P提供到晶体管Q1的基极的前馈AC路径，以提供较快的响应时间。

在电流检测电路200的操作期间，当输入V_SHUNT小于大约0.7V时，Q1传导非常小的电流或者没有集电极-发射极电流，因此输出OVL的电压处于5V电源电压。在本发明的备选实施方式中，OVL可以参考其他供电电压。当Q1的基极-发射极电压足以导通Q1时，例如大约为0.7V，Q1的集电极处的电流使电流流过电阻R_L，并且信号OVL被拉低，从而表示三相倒相器104(图1)中的高电流状况。

图3示出了另一实施方式的电流检测电路300，其包括图2的电流检测电路200以及积分电路302。积分电路302具有OPAMP(运算放大器)304、耦合在OPAMP 304的输出与OPAMP 304的负输入之间的积分电容C_I、以及耦合在输入电压V_SHUNT与OPAMP 304的负输入之间的电阻R_I。利用由电阻R₁和R₂构成的分压器来偏置OPAMP 304的正输入。OPAMP 304的输出形成积分电流输出V_IC，积分电流输出V_IC经由串联电阻R_S2耦合至Q 1的基极。在本发明的一个实施方式中，R_I约为500Ω，R1约为10KΩ，R2约为60KΩ，R_S2约为50KΩ，而C_I约为10,000pF。C_F用于对电流检测电路的输入进行滤波，其约为0.1μF。优选地，OPAMP是LM358放大器，然而在本发明的备选实施方式中，可以使用其他组件值和放大器类型。通过将积分电流输出V_IC耦合至Q1的基极，对噪声进行了滤波，从而避免了OVL信号的无关触发。

在图3所示的实施方式中，电流检测电路300在约为5V的电源电压下操作。在备选实施方式中，可以使用其他电源电压。

在电动机控制器的闭环操作期间，积分电路302用来检测MOSFET驱动器104(图1)的返回电流。假设没有OPAMP输入电流，则OPAMP 304的正输入U₊和负输入U_-处的电压是：

U₊＝U_-＝5_v*60k/(60k+10k)＝4.2v

因此，积分电路302的输出电压V_IC是：

V_{IC} = 4.2 - \frac{1}{C} {&Integral;}_{0}^{t} \frac{4.2 - V_{SHUNT}}{R_{I}} dt

当对电动机的电流增加时(在某些情况下是由于电动机上增加的负载)，跨过分流电阻R_SHUNT的电流将增加，从而导致V_SHUNT的相应增加。由于OPAMP 304的输出电压和倒相输入具有相反关系，因此随着V_SHUNT的相应增加(如果V_SHUNT大于4.2V)，V_IC将下降。因此，输出V_IC可以用来指示电流值。在电动机处于闭环控制下的实施方式中，电压V_IC将提供电动机负载电流的直接指示。

在一个实施方式中，信号VIC由MCU 130(图1)中的A/D转换器来监测，该MCU 130确定一段时间内的电压变化率，并且导出电流斜率值。在重负载状况下或者当MOSFET驱动器104的输出缩短时，电压V_SHUNT将急剧增加，并继而导通晶体管Q1，这将引起过载检测信号OVL的低电压电平。在一个实施方式中，OVL耦合至MCU 130(图1)的紧急停止端口。当MCU 130检测到过载检测信号OVL低时，MCU 130立即切断对驱动器108、110和112(图1)的所有PWM信号。

转到图4，波形图400示出了电流检测电路300的操作。轨迹404表示提供给电动机的负载电流，而轨迹402表示OPAMP 304的输出VIC。可以看到，响应于轨迹404所表示的电流增加，轨迹402下降。如轨迹402的部分406所示，出现OPAMP 304的输出电压V_IC的降低。

还应当理解的是，在其他实施方式中，电动机控制器、驱动器、电流检测电路和/或其他块可以按照除使用PCB之外的其它方式来实现。例如，可以使用集成电路。此外，在备选实施方式中，可以使用除电动自行车之外的其他应用，诸如家用电器和工业电动机应用。

本领域技术人员还将容易地理解的是，材料和方法可以变化，同时仍然处于本发明的范围之内。还将理解的是，除了用来示出实施方式的具体上下文之外，本发明提供了多种可应用的创造性构思。因此，所附权利要求意在将这些过程、机器、制品、组合物、装置、方法或者步骤包括在其范围之内。

Claims

1.一种用于控制电动机的系统，所述系统包括：

驱动器电路，其配置用于驱动所述电动机；

电流感测阻抗，其耦合至所述驱动器电路；

过载检测电路，其耦合至所述电流感测阻抗，所述过载检测电路包括晶体管和检测输出节点；以及

积分电路，其耦合在所述电流感测阻抗与所述过载检测电路之间。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述晶体管包括单个双极结型晶体管(BJT)，

所述单个双极结型晶体管(BJT)包括：

耦合至所述电流感测阻抗的基极，以及

耦合至所述检测输出节点的集电极。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述过载检测电路还包括：

第一电阻，其耦合在所述电流感测阻抗与双极结型晶体管(BJT)的基极之间。

4.根据权利要求1所述的系统，还包括：

第一电阻，其耦合在所述电流感测阻抗与所述晶体管的控制节点之间；以及

第二电阻，其耦合在所述积分电路与所述晶体管的控制节点之间。

5.根据权利要求1所述的系统，还包括：

控制器单元，其耦合至所述驱动器电路和所述检测输出节点，所述控制器单元包括电动机位置输入，用于感测电动机的位置。

6.根据权利要求5所述的系统，还包括：

积分电路，其耦合在所述电流感测阻抗与所述过载检测电路之间，其中所述电动机还包括电流感测输入，所述电流感测输入耦合至所述积分电路的输出。

7.根据权利要求6所述的系统，其中所述驱动器电路包括用于驱动三相电动机的三个驱动器。

8.根据权利要求6的系统，还包括所述电动机。

9.根据权利要求1的系统，其中所述感测阻抗包括电阻。

10.一种用于感测驱动器中的过载状况的电路，所述电路包括：

感测阻抗，其配置为耦合至驱动器；

耦合至所述感测阻抗的积分电路；以及

过载检测器，其包括晶体管，所述晶体管包括：

控制节点，其耦合至所述感测阻抗；

输出节点，其耦合至过载信号；以及

参考节点，其耦合至参考电压。

11.根据权利要求10所述的电路，其中：

所述晶体管包括双极结型晶体管(BJT)；

所述控制节点包括所述双极结型晶体管的基极；

所述输出节点包括所述双极结型晶体管的集电极；以及

所述参考节点包括所述双极结型晶体管的发射极。

12.根据权利要求11所述的电路，其中所述双极结型晶体管包括NPN晶体管。

13.根据权利要求10所述的电路，其中所述积分电路包括：

运算放大器；以及

耦合在所述运算放大器的输出与所述运算放大器的倒相输入之间的电容。

14.根据权利要求10所述的电路，还包括：

第一电阻，其耦合在所述感测阻抗与所述晶体管的控制节点之间；以及

第二电阻，其耦合在所述积分电路的输出与所述晶体管的控制节点之间。

15.一种用于感测电动机中的过载状况的方法，所述方法包括：

监测与耦合至所述电动机的驱动器的回路的分流电阻相耦合的积分电路的输出处的电压，所述监测包括：

利用晶体管的控制节点来感测所述积分电路的输出，

如果所述积分电路的输出处的电压超过阈值，则导通所述晶体管，以及

如果所述晶体管被导通，则激活过载信号。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括：

检测所述过载信号；以及

基于所述检测来关断所述驱动器。

17.根据权利要求16所述的方法，其中：

检测所述过载信号是利用配置用于控制所述电动机的微处理器来执行的。

18.根据权利要求15所述的方法，其中：

所述晶体管包括双极结型晶体管(BJT)；

所述控制节点包括所述双极结型晶体管的基极；以及

所述过载信号耦合至所述双极结型晶体管的集电极。