CN106803729A - 自保护直流电机驱动电路及直流电动绞磨机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自保护直流电机驱动电路，包括H桥驱动单元和主控单元，H桥驱动单元包括左上臂和右下臂的开关元件构成的左上右下驱动支路，以及右上臂和左下臂的开关元件构成的左下右上驱动支路，所述主控单元发送开关信号控制所述H桥驱动单元的开关元件通断；其中左上臂和右上臂的开关元件均采用多个PMOS管并联而成，左下臂和右下臂的开关元件均采用多个NMOS管并联而成。本发明通过上下桥臂分别采用PMOS管和NMOS管构成H桥驱动单元，并且通过多个MOS管并联分流，使其可应用在大功率驱动场合，尤其适用于直流电动绞磨机，能够在起吊重量超过其额定重量时避免大电流对器件的损坏。

Description

自保护直流电机驱动电路及直流电动绞磨机

技术领域

本发明涉及电路技术领域，更具体地说，涉及一种自保护直流电机驱动电路及直流电动绞磨机。

背景技术

机动绞磨机是电力野外施工重要的工器具之一，在实际使用过程中，机动绞磨机都存在体积偏大、质量重、野外搬运困难的问题，因而未在输电线路野外检修中得到广泛的使用。相对而言，直流电动绞磨机是一种体积小、重量轻的起重装置，但其难点在于大功率直流电机的驱动及电机保护。直流电动绞磨机作为起重设备，如果起吊重量超过其额定重量会出现电机堵转的情况，电机在堵转时会出现较大的电流。如果不采取电机驱动保护措施，可能烧断电源系统保险，这样整套设备就无法操作控制。因此需要对电机驱动进行保护设计，在出现误操作时控制驱动电路自动保护电机。

常见的继电器控制直流电机正、反转的方案，因继电器触点机械动作速度慢，无法满足快速控制的需求，在使用过程中通常会出现触点因瞬间大电流而烧坏，导致无法动作的情况。而专用集成电路构成的直流电机驱动器因输出功率有限，也不适合大功率直流电机驱动需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有的直流电机驱动电路无法在电机堵转时进行驱动保护因而不适于直流电动绞磨机的问题，本发明提供一种自保护直流电机驱动电路及直流电动绞磨机。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种自保护直流电机驱动电路，包括H桥驱动单元和主控单元，H桥驱动单元包括左上臂和右下臂的开关元件构成的左上右下驱动支路，以及右上臂和左下臂的开关元件构成的左下右上驱动支路，所述主控单元发送开关信号控制所述H桥驱动单元的开关元件通断；其中左上臂和右上臂的开关元件均采用多个PMOS管并联而成，左下臂和右下臂的开关元件均采用多个NMOS管并联而成。

在根据本发明所述的自保护直流电机驱动电路中，所述H桥驱动单元的左上臂与右上臂结构相同，其中左上臂中每个PMOS管的源极连接至电源输入端，每个PMOS管的漏极连接第一电机驱动输出端，每个PMOS管的栅极连接至左上臂信号控制端。

在根据本发明所述的自保护直流电机驱动电路中，所述H桥驱动单元的左下臂与右下臂结构相同，其中左下臂中每个NMOS管的漏极连接至第一电机驱动输出端，每个NMOS管的栅极通过各自的第一电阻元件连接各自的源极并接公共端，每个NMOS管的栅极还通过各自的第二电阻元件连接至左下臂信号控制端。

在根据本发明所述的自保护直流电机驱动电路中，所述第二电阻元件为二极管，该二极管的阳极与各自NMOS管的栅极连接，阴极连接至左下臂信号控制端。

在根据本发明所述的自保护直流电机驱动电路中，所述第二电阻元件的阻值为能够防止各自NMOS管的寄生振荡且满足开关速度的取值。

在根据本发明所述的自保护直流电机驱动电路中，其中左上臂和右上臂的开关元件均采用三个PMOS管并联而成，左下臂和右下臂的开关元件均采用三个NMOS管并联而成。

在根据本发明所述的自保护直流电机驱动电路中，所述自保护直流电机驱动电路还包括与所述H桥驱动单元连接的检测单元，用于采样电机电流并发送给所述主控单元，所述主控单元在检测电机电流异常时产生报警信号并控制电机的运行状态。

在根据本发明所述的自保护直流电机驱动电路中，所述主控单元在采样的电机电流异常时，产生预警信号，并提高采样速率，进一步判断电机电流异常时产生报警信号。

在根据本发明所述的自保护直流电机驱动电路中，所述检测单元包括：采样电阻、信号放大器、滤波电阻和滤波电容，所述采样电阻连接在所述H桥驱动单元的公共端与地之间，所述信号放大器的输入端并联在所述采样电阻两端，所述信号放大器的输出端通过滤波电阻和滤波电容进行RC滤波后将采样信号发送给所述主控单元。

本发明还提供了一种直流电动绞磨机，包括如前所述的自保护直流电机驱动电路。

实施本发明的自保护直流电机驱动电路及直流电动绞磨机，具有以下有益效果：本发明通过上下桥臂分别采用PMOS管和NMOS管构成H桥驱动单元，其效率高且电路简单，并且通过多个MOS管并联分流，使其可应用在大功率驱动场合，尤其适用于直流电动绞磨机，能够在起吊重量超过其额定重量时避免大电流对器件的损坏。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1a为本发明优选实施例的自保护直流电机驱动电路采用的H桥驱动单元的电路连接图；图1b和1c为现有技术中另外两种H桥驱动单元的电路连接图；

图2所示为规格化的MOS管阻抗的温度曲线图；

图3为本发明中使用三颗N沟道增强型场效应管并联的电路图；

图4a和4b分别为本发明优选实施例的自保护直流电机驱动电路的左侧桥臂和右侧桥臂的电路图；

图5为本发明优选实施例的自保护直流电机驱动电路中检测单元的电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

本发明提供的自保护直流电机驱动电路，至少包括H桥驱动单元和主控单元。本发明主要采用H桥驱动电路来实现对直流电机的驱动，尤其在大功率直流电机应用场合。目前直流电机的驱动方式主要有两种形式：线性驱动方式和开关驱动方式。其中线性驱动方式可以看成一个数控电压源。该线性驱动方式的优点是驱动电机的力矩纹波很小，可应用于对电机转速要求非常高的场合。该线性驱动方式的缺点电路通常比较复杂，成本较高，尤其在需要提高驱动功率时，相应的电路成本将大幅度提升。而本发明中使用的是H桥驱动电路是一种开关驱动方式，其与线性驱动方式不同，其电路中的晶体管工作在开关状态。当器件导通时，器件工作的电流很大但压降很小，因此这种驱动方式功耗小、效率高且电路相对简单。

如图1a为本发明优选实施例的自保护直流电机驱动电路采用的H桥驱动单元的电路连接图。图1b和1c为现有技术中另外两种H桥驱动单元的电路连接图。本发明中H桥驱动单元包括左上臂和右下臂的开关元件构成的左上右下驱动支路，以及右上臂和左下臂的开关元件构成的左下右上驱动支路，主控单元发送开关信号控制H桥驱动单元的各个开关元件导通和截止。如图所示，H桥驱动单元为左右对称的结构，就左侧桥臂而言，左上臂的开关元件Q1和左下臂的开关元件Q3串联在电源输入端VCC和公共端之间，其对应的源极和漏极互连并设置该节点为第一电机驱动输出端M1，左上臂的开关元件Q1和左下臂的开关元件Q3的栅极分别由主控单元发出的第一开关信号K1和第二开关信号K2控制。同样，右侧桥臂的结构与之相同，其右上臂的开关元件Q2和右下臂的开关元件Q4的栅极分别由主控单元发出的第三开关信号K3和第四开关信号K4控制，且两者的源极和漏极互连并设置该节点为第一电机驱动输出端M2。电机M通过第一电机驱动输出端M1和第一电机驱动输出端M2控制其正转或者反转。

如图1a所示，本发明采用的H桥驱动单元中，H桥的上下桥臂分别使用P沟道增强型MOS管(即PMOS管)和N沟道增强型MOS管(即NMOS管)。图1b中H桥的4个桥臂均使用N沟道增强型MOS管；图1c中H桥的4个桥臂均使用P沟道增强型MOS管。图1b中如果使电机M正转，MOS管Q1和MOS管Q4应该导通，因此第四开关信号K4的电压应该高于MOS管Q4的源极电压，第一开关信号K1电压应该高于MOS管Q1的源极电压，由于MOS管Q1的源极电压近似等于VCC，因此就要求第一开关信号K1的电压必须大于VCC+V_GS。其中V_GS为MOS管的栅极和源极电压差。由于大多电机的源直接来至VCC，想得到比VCC更高的电位就必须升压，而升压电路比降压电路转换效率通常会低，因些图1b电路的H桥连接方式效率低不适用于本发明。图1c中为了使MOS管Q3和MOS管Q4良好的导通，则必须得使用栅极电压低于-V_GS，这样电路控制电压得使用负压，负压往往也需要升压DC/DC得到，这样电源转换效率也相对较低，电源电路也相对较复杂。与前述两种方式相比，本发明使用的图1a所示的H桥连接方式，该电路结合了上述两种电路的各自的优点，使用方便。

因此，本发明在图1a的基础上进行直流电机驱动设计，为了应用在大功率驱动场合，将H桥的各个桥臂上的开关元件均通过多颗MOS管并联起来实现。本发明中左上臂的开关元件Q1和右上臂的开关元件Q2均采用多个PMOS管并联实现，左下臂的开关元件Q3和右下臂的开关元件Q4均采用多个NMOS管并联实现。这是因为在大功率驱动实际应用中，单颗MOS管提供不了需要的大电流，当将多颗MOS管并联起来应用时，大电流可以由多颗MOS管来分担，单颗MOS管承担的电流相对较小，确保了器件安全稳定地工作。但是如果应用不当，也会使多颗并联的MOS管电流不均衡，甚至损坏某颗MOS管使系统崩溃。

本发明预先对MOS管并联的可行性进行了分析，如图2所示，为规格化的MOS管阻抗的温度曲线图。其中根据MOS管的温度曲线可以看出MOS管的内阻的温度特性为内阻随温度的升高而增大，如果在并联过程中由于某种原因，比如RDSON比较低或者电流路径比较短等，导致某颗MOS管的电流比较大，这颗MOS管会发热比较严重，内阻会升高较多，电流就会降下来，由此可以分析出MOS管有自动均流的特性因而易于并联。

MOS管理论上可以由N颗并联，但是实际上MOS管并联过多容易引起走线过长，分布电感电容加大，对于高频电路工作产生不利的影响。因此，本发明每个桥臂上优选采用三颗MOS管并联实现。

请参阅图3，为本发明中使用三颗N沟道增强型场效应管并联的电路图。如图所示，左下臂开关元件MOS管Q3可以采用3颗NMOS管并联实现，如NMOS管Q31、NMOS管Q32和NMOS管Q33。其中，每个NMOS管的漏极连接在一起作为左下臂开关元件Q3的漏极D。每个NMOS管的栅极通过各自的第一电阻元件连接各自的源极并接公共端，作为左下臂开关元件Q3的源极S，如通过电阻R12、电阻R14和电阻R16接公共端。每个NMOS管的栅极还通过各自的第二电阻元件连接在一起作为左下臂开关元件Q3的栅极G，如通过电阻R11、电阻R13和电阻R15。H桥驱动单元的右下臂与右下臂结构相同。

图3中第二电阻元件，如电阻R11、电阻R13和电阻R15为栅极极驱动电阻，每个NMOS管都由独立的栅极驱动电阻隔离驱动，主要是可以防止各个NMOS管的寄生振荡，起到阻尼的作用。栅极极驱动电阻的取值十分关键，最值过小就起不到防止各个NMOS管的寄生振荡的作用。如果取值过大，开关速度会变慢；并且由于每个NMOS管的结电容会有细微的不同，结果取值过大还会导致各个NMOS管的导通速度相差比较大。所以第二电阻元件即栅极极驱动电阻的阻值为能够防止各自NMOS管的寄生振荡且满足开关速度的取值。同时，在满足上述两个条件的情况下第二电阻元件尽可能取小的阻值，以避免各个NMOS管的导通速度差异。

请参阅图4a和4b，分别为本发明优选实施例的自保护直流电机驱动电路的左侧桥臂和右侧桥臂的电路图。如图4a和4b所示，H桥驱动单元的左下臂与右下臂结构相同，左下臂与右下臂结构相同。其中，左上臂开关元件可以采用3颗PMOS管并联实现，如PMOS管Q11、PMOS管Q12和PMOS管Q13。其中，每个PMOS管的源极连接至电源输入端VCC，每个PMOS管的漏极连接至第一电机驱动输出端M1，每个PMOS管的栅极连接至左上臂信号控制端MOT_C1接收第一开关信号K1。右上臂开关元件如PMOS管Q21、PMOS管Q22和PMOS管Q23的栅极连接至左上臂信号控制端MOT_C2接收第三开关信号K3。

H桥驱动单元的左下臂与右下臂的结构则与图3中NMOS管的并联电路相似，区别在于第二电阻元件采用二极管实现，如左下臂中二极管D1、二极管D2和二极管D3，右下臂中二极管D4、二极管D5和二极管D6，这些二极管的阳极与各自NMOS管的栅极连接，阴极连接至各桥臂信号控制端。并且，左下臂开关元件NMOS管Q31、NMOS管Q32和NMOS管Q33的栅极通过各自的第二电阻元件连接至左下臂信号控制端PWM1接收第二开关信号K2。右下臂开关元件NMOS管Q41、NMOS管Q42和NMOS管Q43的栅极通过各自的第二电阻元件连接至右下臂信号控制端PWM2接收第四开关信号K4。

本发明采用多个MOS管并联构成的自保护直流电机驱动电路能够应用在大功率驱动场合，尤其是直流电动绞磨机。如果直流电动绞磨机起吊重量超过其额定重量时，会发生电机堵转，此时会出现瞬间大电流，而采用多个MOS管并联的方案可以有效地进行分流，避免器件损坏。

本发明还可以对电机运行异常进行保护。电机运行时通常出现超出额定负载的情况，如果电机长时间工作在超负荷的情况下，可能会出现各种故障，因此为保护电机和驱动电路，本发明需要对电机运行异常进行保护。本发明的自保护直流电机驱动电路还包括与前述H桥驱动单元连接的检测单元，用于采样电机电流并发送给主控单元，主控单元在检测到电机电流异常时产生报警信号并控制电机的运行状态。

请参阅图5，为本发明优选实施例的自保护直流电机驱动电路中检测单元的电路图。图5中示出了H桥驱动单元10和检测单元20，为简化目的H桥驱动单元10中仅用一个MOS管符号表示多个并联的MOS管。检测单元20至少包括：采样电阻R5、信号放大器U1、滤波电容C2和滤波电阻R6，其中采样电阻R5连接在H桥驱动单元10的公共端与地之间。信号放大器可以采用型号为MAX4372-T的芯片实现，信号放大器U1的输入端RS+和RS-并联在采样电阻R5两端。信号放大器U1的输出端OUT通过滤波电容C2和滤波电阻R6进行RC滤波后将采样信号发送给主控单元。其中，滤波电阻R6连接在信号放大器U1的输出端OUT与采样信号输出端ADSI之间，滤波电容C2连接在采样信号输出端ADSI与地之间。检测单元20还包括稳压二极管D4和电容C1。

在实际应用中，为降低采样电阻R5上的发热，一般提高信号放大器U1放大倍数，选择阻值较小的采样电阻R5。为使测量准确，首先电源的纹波要尽量的小，线路板电源电路部分布线一定要注意。同时在测量算法上也很重要。在实际应用中，一旦主控单元在采样的电机电流异常时，可以产生预警信号，并提高采样速率，进一步判断电机电流是否异常，如果异常时产生报警信号。主控单元在产生报警信号后通过发送开关信号给H桥驱动单元10，控制电机的运行状态来对电机进行保护。

本发明还提供了一种直流电动绞磨机，其包括如前所述的自保护直流电机驱动电路。使用本发明的自保护直流电机驱动电路制成的直流电动绞磨机，能够适用于大功率应用场合，在起吊重量超过其额定重量时，可以通过多个MOS管并联来增大电路的可承受电流，并通过检测单元进行异常保护。

综上所述，本发明提供的自保护直流电机驱动电路及直流电动绞磨机，能够提高驱动输出功率并对电路稳定运行进行保护。在实际运用中，本发明的自保护直流电机驱动电路的驱动电流可达300A，电机速度调节响应快，PWM点空比调可在0至1之间任意调节，电机保护电流及保护时间可进行设置，能够解决大功率直流电机起重设备在使用过程中的正、反转、刹车及连续调速，以及自保护控制的问题。

本发明是根据特定实施例进行描述的，但本领域的技术人员应明白在不脱离本发明范围时，可进行各种变化和等同替换。此外，为适应本发明技术的特定场合或材料，可对本发明进行诸多修改而不脱离其保护范围。因此，本发明并不限于在此公开的特定实施例，而包括所有落入到权利要求保护范围的实施例。

Claims (10)

1.一种自保护直流电机驱动电路，其特征在于，包括H桥驱动单元和主控单元，H桥驱动单元包括左上臂和右下臂的开关元件构成的左上右下驱动支路，以及右上臂和左下臂的开关元件构成的左下右上驱动支路，所述主控单元发送开关信号控制所述H桥驱动单元的开关元件通断；其中左上臂和右上臂的开关元件均采用多个PMOS管并联而成，左下臂和右下臂的开关元件均采用多个NMOS管并联而成。

2.根据权利要求1所述的自保护直流电机驱动电路，其特征在于，所述H桥驱动单元的左上臂与右上臂结构相同，其中左上臂中每个PMOS管的源极连接至电源输入端，每个PMOS管的漏极连接第一电机驱动输出端，每个PMOS管的栅极连接至左上臂信号控制端。

3.根据权利要求1所述的自保护直流电机驱动电路，其特征在于，所述H桥驱动单元的左下臂与右下臂结构相同，其中左下臂中每个NMOS管的漏极连接至第一电机驱动输出端，每个NMOS管的栅极通过各自的第一电阻元件连接各自的源极并接公共端，每个NMOS管的栅极还通过各自的第二电阻元件连接至左下臂信号控制端。

4.根据权利要求3所述的自保护直流电机驱动电路，其特征在于，所述第二电阻元件为二极管，该二极管的阳极与各自NMOS管的栅极连接，阴极连接至左下臂信号控制端。

5.根据权利要求3所述的自保护直流电机驱动电路，其特征在于，所述第二电阻元件的阻值为能够防止各自NMOS管的寄生振荡且满足开关速度的取值。

6.根据权利要求1所述的自保护直流电机驱动电路，其特征在于，其中左上臂和右上臂的开关元件均采用三个PMOS管并联而成，左下臂和右下臂的开关元件均采用三个NMOS管并联而成。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的自保护直流电机驱动电路，其特征在于，所述自保护直流电机驱动电路还包括与所述H桥驱动单元连接的检测单元，用于采样电机电流并发送给所述主控单元，所述主控单元在检测电机电流异常时产生报警信号并控制电机的运行状态。

8.根据权利要求7所述的自保护直流电机驱动电路，其特征在于，所述主控单元在采样的电机电流异常时，产生预警信号，并提高采样速率，进一步判断电机电流异常时产生报警信号。

9.根据权利要求7所述的自保护直流电机驱动电路，其特征在于，所述检测单元包括：采样电阻、信号放大器、滤波电阻和滤波电容，所述采样电阻连接在所述H桥驱动单元的公共端与地之间，所述信号放大器的输入端并联在所述采样电阻两端，所述信号放大器的输出端通过滤波电阻和滤波电容进行RC滤波后将采样信号发送给所述主控单元。

10.一种直流电动绞磨机，其特征在于，包括权利要求1-9中任意一项所述的自保护直流电机驱动电路。