CN102290790B - 一种无刷直流电机的故障检测与保护电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种无刷直流电机的故障检测与保护电路，包括三相电流信号检测模块、定子绕组缺相故障切换模块、霍尔传感器信号检测模块、定子绕组过流检测模块、CPLD故障处理模块和绕组电流切断模块；三相电流信号检测模块检测直流电机的三相信号，霍尔传感器信号检测模块对霍尔传感器的输出信号进行检测及整形，定子绕组过流检测模块采集绕组电流并与设定值进行比较；CPLD故障处理模块对前述三相信号、霍尔整形信号和过流故障信号进行逻辑处理，并分别向定子绕组缺相故障切换模块和绕组电流切断模块发出信号。此电路可提高无刷直流电机控制器的可靠性，实现定子绕组缺相、霍尔传感器缺相及定子绕组过流故障后能够对其进行保护，避免因故障受到损坏。
Description
技术领域
本发明属于无刷直流电机控制器的技术领域，特别涉及一种无刷直流电机的定子绕组缺相、霍尔传感器缺相及绕组过流检测与保护的电路。
背景技术
随着科学技术和电力电子工业的飞速发展，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活当中。由于传统的直流电机均采用电刷以机械方式换向，因而存在相对的机械摩擦，由此带来了噪声、火花、无线电干扰以及寿命等致命缺点，限制了其应用范围。无刷直流电机既具有交流伺服电机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点，又具备直流伺服电机那样良好的调速特性而无机械式换向器，现已广泛应用于各种调速驱动场合。
无刷直流电机安全运行是保证机械正常运转的重要措施。电机在运行过程中，容易出现定子绕组缺相、霍尔传感器缺相、绕组过流等故障，这些故障都可能会造成电机因非正常运行而损坏。因此，对电机进行故障保护是保证电机安全工作的重要措施。
当电机的驱动电路发生故障时，会导致电机的相电流输出异常或缺失，从而发生定子绕组缺相故障，导致电机不能正常工作，表现为电机抖动不能转动，或转矩无力且噪音大，且控制器在绕组缺相状态下工作很容易烧毁；霍尔传感器故障则会造成霍尔传感器缺相，在这种情况下，控制器不能检测到正确的传感器输出，无法实现电机换向；电机在启动或换向时容易发生定子绕组过流现象，若不及时进行过流保护，则会造成电机绕组烧毁；因此，在实际应用中应对电机进行故障保护，保证电机安全运行。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，是针对前述背景技术中的缺陷和不足，提供一种无刷直流电机的故障检测与保护电路，其可提高无刷直流电机控制器的可靠性，实现定子绕组缺相、霍尔传感器缺相及定子绕组过流故障后能够对其进行保护，避免因故障受到损坏。
本发明为解决以上技术问题，所采用的技术方案是：
一种无刷直流电机的故障检测与保护电路，包括三相电流信号检测模块、定子绕组缺相故障切换模块、霍尔传感器信号检测模块、定子绕组过流检测模块、CPLD故障处理模块和绕组电流切断模块；
三相电流信号检测模块检测直流电机的三相信号，并分别送入CPLD故障处理模块；
霍尔传感器信号检测模块对霍尔传感器的输出信号进行检测及整形，并将霍尔整形信号输入CPLD故障处理模块；
定子绕组过流检测模块采集绕组电流并转化为电压，与设定的电压值进行比较，当小于设定的电压值时向CPLD故障处理模块输入过流故障信号；
CPLD故障处理模块对前述输入的三相信号、霍尔整形信号和过流故障信号进行逻辑处理，并分别向定子绕组缺相故障切换模块和绕组电流切断模块发出故障切换信号和故障保护信号；
定子绕组缺相故障切换模块根据CPLD故障处理模块的故障切换信号接通三相桥备份电路的电源，实现故障相的正常输出；
绕组电流切断模块根据CPLD故障处理模块的故障保护信号断开三相桥电路的电源，切断电机绕组的电流。
上述三相电流信号检测模块包括分别对三相进行检测的单相电压信号检测电路，其中，各单相电压信号检测电路均包括依次连接的电压互感器、整流电路、稳压滤波电路、限流电阻和光耦。
上述定子绕组缺陷故障切换模块包括分别与三相对应的故障切换电路，所述的故障切换电路包括桥臂备份电路和两个中间继电器，所述三相桥电路的某一相连接在两个中间继电器的常闭触点之间，而桥臂备份电路包括相串联的两个功率开关管，其两端连接在两个中间继电器的常开触点之间，各中间继电器中线圈的一端接地，另一端连接CPLD的故障切换信号输出端。
上述霍尔传感器信号检测模块包括分别对三相进行检测的单相霍尔传感器信号检测电路，其中，各单相霍尔传感器信号检测电路均包括相互串联的滤波电容和光耦，且滤波电容的输入端连接霍尔传感器的输出端，而光耦的输出端连接CPLD故障处理模块的输入端。
上述定子绕组过流检测模块包括分别对三相进行检测的单相定子绕组过流检测电路，其中，各单相定子绕组过流检测电路均包括第一电阻、二阶滤波电路和比较器，且第一电阻连接在该相桥电路下端功率管源极与地之间，二阶滤波电路的一端连接在前述功率管源极与第一电阻之间，另一端连接比较器的一个输入端，比较器的另一输入端输入设定的电压值，而比较器的输出端连接CPLD故障处理模块的输入端。
上述绕组电流切断模块包括依次连接的光耦、分压电路和MOS管，所述光耦的输入端连接CPLD故障处理模块的故障保护信号输出端，输出端连接分压电路的输入端，而分压电路的输出端分别连接MOS管的源极和栅极，而MOS管的源极连接外部电源，漏极连接三相桥电路的电源输入端。
采用上述方案后，本发明通过设置多个模块，其中的三相电流信号检测模块实现电机三相信号的检测；霍尔传感器信号检测模块实现霍尔信号的检测与整形；定子绕组缺相故障切换模块通过CPLD输出的控制信号实现故障切换；定子绕组过流检测模块实现绕组电流的检测及过流故障信号的输出；CPLD故障处理模块实现故障切换信号及故障保护信号的输出；绕组电流切断模块实现电机的霍尔传感器缺相、定子绕组过流故障保护。
附图说明
图1是三相桥电路与电机绕组的连接图；
图2是电机转子的第一种工作状态示意图；
图3是电机转子的第二种工作状态示意图；
图4是电机的三相相电压波形图；
图5是本发明中三相电流信号检测模块的电路图；
图6是本发明中定子绕组缺相故障切换模块的电路图；
图7是本发明中霍尔传感器信号检测模块的电路图；
图8是本发明中定子绕组过流检测模块的电路图；
图9是本发明中采用的C[LD芯片引脚连接示意图；
图10是本发明中CPLD故障处理模块的工作流程图；
图11是本发明中绕组电流切断模块的电路图；
图12是本发明的整体结构框图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
首先结合图1、图2、图3对无刷直流电机的工作原理进行简单的分析。图1为三相桥电路与电机绕组的连接图，其中，所述的三相桥电路包含6个功率开关管Q1～Q6，功率开关管Q1、Q4依次串联，功率开关管Q3、Q6依次串联，功率开关管Q5、Q2依次串联，然后将前述三个串联支路相并联；三相绕组呈星形连接，其中，A相连接在功率开关管Q1、Q4之间，B相连接在功率开关管Q3、Q6之间，C相连接在功率开关管Q5、Q2之间。三相桥电路输出的三相电流信号输入电机的三相绕组，控制电机各相绕组按一定顺序工作，在电机气隙中产生跳变式旋转磁场，驱动转子旋转。图2、图3为电机转子的两个工作状态。当转子位于图2中所示位置时，霍尔传感器A、B、C输出信号的状态为101,控制功率开关管Ql、Q2导通，即A、C两相绕组通电，电流方向为A进C出，电枢绕组在空间的合成磁场为Ba，方向如图2中所示。电枢绕组合成磁场Ba与永磁转子磁场Br相互作用产生转矩，拖动转子逆时针方向转动。在此过程中电流流通路径为：电源正极－Ql－A相绕组－C相绕组－Q2－电源负极。当转子转过60电角度，达到图3中的位置时，霍尔传感器A、B、C输出信号的状态为100，经逻辑变换后使开关管Q1截止，Q3导通，绕组换相，换相后Q2、Q3导通，绕组B、C相通电，电流方向B进C出，电枢绕组在空间合成磁场为图3中Ba。此时电枢磁场与永磁转子磁场相互作用使转子继续沿逆时针方向旋转，电流流通路径为：电源正极－Q3－B相绕组－C相绕组－Q2－电源负极。转子继续沿逆时针方向旋转60电角度，发生下一次换相，如此重复进行。
以下将就本发明的技术方案进行说明。
本发明提供一种无刷直流电机的故障检测与保护电路，配合图12所示，包括三相电流信号检测模块、定子绕组缺相故障切换模块、霍尔传感器信号检测模块、定子绕组过流检测模块、CPLD（Complex Programmable Logic Device,复杂可编程逻辑器件）故障处理模块和绕组电流切断模块，下面分别介绍。
1、三相电流信号检测模块
电机的三相相电压波形如图4所示，从图中可知电机的三相相电压幅值相等，相位互差120°。因此，可对电机三相信号进行检测，若有一相或一相以上无电压信号，则表示电机发生缺相故障。图5所示为电机单相电压信号检测电路，图中的L1为电压互感器，D1、D2、D3、D4四只二极管组成桥式整流电路，电阻R1、电容C1和稳压管D5组成稳压滤波电路，电压互感器L1感应出电机相位的交变信号，经过整流电路整流后，再经过稳压滤波电路，可获得稳定的直流电压。光耦U1经限流电阻R2将直流电压转换为+5V的电压信号UA，并输入CPLD故障处理模块，完成电机单相相电压的检测。另外两相的相电压检测电路也按此连接，在此不再赘述。
2、定子绕组缺相故障切换模块
图6为定子绕组缺相故障切换模块中的单个桥臂及其故障切换电路，图中的功率开关管Q1、Q4构成了单个桥臂，Q1B、Q4B构成了桥臂备份电路，K1、K2为中间继电器，L为每个继电器的线圈，a为继电器的常闭触点，b为继电器的常开触点。当桥臂正常工作时，故障切换信号输出低电平，线圈L中无电流流过，触点弹片与常闭触点接触，Q1的漏极与电源+U连接，Q4的源极与电源-U连接。若桥臂发生故障，故障切换信号输出高电平，线圈L通电，磁体产生吸合作用压动触点弹片，使常闭触点断开常开触点闭合，Q1B的漏极与电源+U连接，Q4B的源极与电源-U连接，实现了缺相故障切换的功能。另外两个桥臂及其故障切换电路也按此连接。
3、霍尔传感器信号检测模块
霍尔传感器按照安装位置的不同可分为60°相角传感器和120°相角传感器。本发明以120°相角传感器为对象，安装位置及顺序如图2、图3中所示。电机转动一周，霍尔传感器A、B、C可输出6种状态：101、100、110、010、011、001。若霍尔传感器发生缺相故障，则输出错误的电平信号。因此，可通过检测霍尔传感器是否输出000状态或111状态判断霍尔传感器发生缺相故障。本发明将霍尔传感器信号整形后输入CPLD故障处理模块，通过故障逻辑处理，实现霍尔传感器缺相保护。单个霍尔传感器信号检测电路如图7所示。霍尔传感器的输出经滤波电容C1滤波后，通过光耦U1转换为+5V的电压信号，并输入CPLD故障处理模块。另外两个霍尔传感器信号检测电路也按此连接。
4、定子绕组过流检测模块
本发明通过在待测电路中串联小电阻，用小电阻上的压降反映电流的大小，实现绕组电流的检测。定子绕组过流检测模块电路如图8所示，小电阻R1接在三相桥电路下端功率管源极与地之间，电阻R2、R3、R4、R5、C1、C2、U1构成二阶滤波电路，对绕组电流滤波，然后通过比较器U2与设定的比较电压进行比较，比较电压大小可通过可变电阻R8改变；若大于设定值，则表明发生过流故障，则比较器输出过流故障信号OVER_CUR_FAULT，并输入CPLD故障处理模块实现过流保护。
5、CPLD故障处理模块
CPLD芯片的引脚连接如图9所示。CPLD故障处理模块对输入的电机三相信号（UA、UB、UC）、霍尔传感器信号（UhA、UhB、UhC）和过流故障信号OVER_CUR_FAULT进行检测，并通过故障逻辑处理，实现故障切换信号（USA、USB、USC）、故障保护信号FAULT的输出。
图10说明了CPLD进行故障逻辑处理的工作流程。图10中的模块一说明了CPLD实现故障切换信号输出的流程。CPLD先进行寄存器及端口的配置等初始化工作，然后对输入的三相信号UA、UB、UC进行检测，由于图5中的光耦采用反向传输，因此可依序判断三相信号电压是否为高电平。若某一相为高电平，则表明该相发生缺相故障，CPLD输出相应相的故障切换信号，实现定子绕组缺相故障保护。
图10中的模块二说明了CPLD实现霍尔传感器缺相保护的流程。CPLD先进行寄存器及端口的配置等初始化工作，然后对输入的霍尔传感器信号HA、HB、HC进行检测，判断是否出现000或111状态，若出现这两种状态，表明霍尔传感器发生缺相故障，霍尔传感器故障标识Hall_FAULT置0，与过流故障标识CUR_FAULT进行与运算后，故障保护信号FAULT输出低电平，通过绕组电流切断模块切断三相桥电路的电源，实现霍尔传感器缺相保护。
图10中的模块三说明了CPLD实现定子绕组过流保护的流程。CPLD先进行寄存器及端口的配置等初始化工作，然后对输入的过流故障信号OVER_CUR_FAULT进行检测，若OVER_CUR_FAULT为高电平，则表明发生过流故障，过流故障标识CUR_FAULT置0，与霍尔传感器故障标识Hall_FAULT进行与运算后，故障保护信号FAULT输出低电平，通过绕组电流切断模块切断三相桥电路的电源，实现定子绕组过流保护。
6、绕组电流切断模块
绕组电流切断模块电路如图11所示，由光耦U1及P型压控MOS管Q1组成。当霍尔传感器无故障且定子绕组无过流故障时，故障保护信号FAULT输出高电平，经限流电阻R1输入光耦U1，U1输出低电平，经电阻R2、R3分压后Q1的栅极与源极之间形成反向电压，Q1导通，从而使三相桥电路接通外部电源+U_G；若霍尔传感器故障或定子绕组发生过流故障时，故障保护信号FAULT输出低电平，U1输出高电平，Q1的栅极与源极之间无电压差，Q1关断，从而切断了三相桥电路的电源。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (6)
1.一种无刷直流电机的故障检测与保护电路，其特征在于：包括三相电流信号检测模块、定子绕组缺相故障切换模块、霍尔传感器信号检测模块、定子绕组过流检测模块、CPLD故障处理模块和绕组电流切断模块；
三相电流信号检测模块检测直流电机的三相电流信号，并分别送入CPLD故障处理模块；
霍尔传感器信号检测模块对霍尔传感器的输出信号进行检测及整形，并将霍尔整形信号输入CPLD故障处理模块；
定子绕组过流检测模块采集绕组电流并转化为电压，与设定的电压值进行比较，当小于设定的电压值时向CPLD故障处理模块输入过流故障信号；
CPLD故障处理模块对前述输入的三相电流信号、霍尔整形信号和过流故障信号进行逻辑处理，并分别向定子绕组缺相故障切换模块和绕组电流切断模块发出故障切换信号和故障保护信号；
定子绕组缺相故障切换模块根据CPLD故障处理模块的故障切换信号接通三相桥备份电路的电源，实现故障相的正常输出；
绕组电流切断模块根据CPLD故障处理模块的故障保护信号断开三相桥电路的电源，切断电机绕组的电流。
2.如权利要求1所述的一种无刷直流电机的故障检测与保护电路，其特征在于：所述三相电流信号检测模块包括分别对三相进行检测的单相电压信号检测电路，其中，各单相电压信号检测电路均包括依次连接的电压互感器、整流电路、稳压滤波电路、限流电阻和光耦。
3.如权利要求1所述的一种无刷直流电机的故障检测与保护电路，其特征在于：所述定子绕组缺相故障切换模块包括分别与三相对应的故障切换电路，所述的故障切换电路包括桥臂备份电路和两个中间继电器，所述三相桥电路的某一相连接在两个中间继电器的常闭触点之间，而桥臂备份电路包括相串联的两个功率开关管，其两端连接在两个中间继电器的常开触点之间，各中间继电器中线圈的一端接地，另一端连接CPLD的故障切换信号输出端。
4.如权利要求1所述的一种无刷直流电机的故障检测与保护电路，其特征在于：所述霍尔传感器信号检测模块包括分别对三相进行检测的单相霍尔传感器信号检测电路，其中，各单相霍尔传感器信号检测电路均包括相互串联的滤波电容和光耦，且滤波电容的输入端连接霍尔传感器的输出端，而光耦的输出端连接CPLD故障处理模块的输入端。
5.如权利要求1所述的一种无刷直流电机的故障检测与保护电路，其特征在于：所述定子绕组过流检测模块包括分别对三相进行检测的单相定子绕组过流检测电路，其中，各单相定子绕组过流检测电路均包括第一电阻、二阶滤波电路和比较器，且第一电阻连接在该相桥电路下端功率管源极与地之间，二阶滤波电路的一端连接在前述功率管源极与第一电阻之间，另一端连接比较器的一个输入端，比较器的另一输入端输入设定的电压值，而比较器的输出端连接CPLD故障处理模块的输入端。
6.如权利要求1所述的一种无刷直流电机的故障检测与保护电路，其特征在于：所述绕组电流切断模块包括依次连接的光耦、分压电路和MOS管，所述光耦的输入端连接CPLD故障处理模块的故障保护信号输出端，输出端连接分压电路的输入端，而分压电路的输出端分别连接MOS管的源极和栅极，而MOS管的源极连接外部电源，漏极连接三相桥电路的电源输入端。
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