CN106953402A - 基于超级电容续航的磁粉制动器驱动与欠压保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超级电容续航的磁粉制动器驱动与欠压保护电路。包括恒流恒压充电电路、欠压保护与输出控制电路，具体的控制芯片IC1的输入端VIN端与电路供电电压端Uin端连接，IC1的输出端VOUT端与抑流电感L1的一端连接，L1的另一端与超级电容SC1的正极、三极管VT1的射极e端、上分压电阻R7的一端连接，VT1的集电极c端与电感续流二极管VD1的阴极、滤波电感L2的一端连接，L2的另一端与负载续流二极管VD2的阴极、磁粉制动器BK1的一端连接，BK1的另一端与MOS管VT2的漏极d端连接，R7的另一端与比较器IC2的负输入端‑IN端、跟随器IC3的正输入端+IN端连接。本发明电路功能强、成本低、可靠性高、通用性好、易产品化。

Description

基于超级电容续航的磁粉制动器驱动与欠压保护电路

技术领域

本发明属于工业测控领域，涉及一种电路，特别涉及一种基于超级电容续航的磁粉制动器驱动与欠压保护电路，适用于在断电时需进行保护性续航运行的各类电磁执行机构的控制应用场合。

背景技术

在许多以磁粉制动器为各类卷绕物放卷张力控制执行机构的卷绕物高速生产过程中，一旦发生断电或生产中的紧急刹车制动时，卷绕物原料的放卷轴因失去制动作用，在高速的惯性作用下，使得方卷轴上的原料被继续高速放出而堆积报废并导致生产机组无法正常重起动运行，造成极大损失，且目前尚无很好的解决方案。本发明拟用超级电容作为储能元件进行断电时的续航运行，但超级电容涉及充放电电流与欠压保护等控制问题，目前，常用的方案及其不足之处在于：(1)方案1：以电感作为上电时充电冲击电流抑制元件的LC充电方案，该方案可防止上电时的电流冲击性突变，但无法控制超级电容的稳态充电电流。(2)方案1：基于开关稳压控制模块的恒压充电控制方案，例如采用L4970A开关稳压控制模块，但只能对最大电流进行限流保护，而无法实现动态恒流、稳态恒压的平稳、快速充电控制。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提出一种基于超级电容续航的磁粉制动器驱动与欠压保护电路。该电路集电压/电流双闭环控制、LC缓冲与滤波、滞环比较式负载供电控制等功能于一体，实现度超级电容的动态恒流充电、稳态时的稳压控制，当供电电源断电时由超级电容对卷绕物放卷执行机构-磁粉制动器驱动控制电路进行续航供电，防止断电时因高速生产的惯性造成原料大量报废甚至使生产机组瘫痪，并在超级电容欠压时自动切断负载实现欠压保护以提高超级电容的寿命。

本发明包括恒流恒压充电电路、欠压保护与输出控制电路。

恒流恒压充电电路包括控制芯片IC1、超级电容SC1、抑流电感L1、电容电压指示灯LED1、延时电阻R1、调频电阻R2、调压电阻R3、上限流电阻R4、下限流电阻R5、左灯电阻R6、输入电容C1、延时电容C2，控制芯片IC1的输入端VIN端与电路供电电压端Uin端、延时电阻R1的一端、输入电容C1的一端连接，控制芯片IC1的运行控制端RUN端与延时电阻R1的另一端、延时电容C2的一端连接，控制芯片IC1的电阻端RT端与调频电阻R2的一端连接，控制芯片IC1的调整端ADJ端与调压电阻R3的一端连接，输入电容C1的另一端、延时电容C2的另一端、调频电阻R2的另一端、调压电阻R3的另一端均接地，控制芯片IC1的输出端VOUT端与抑流电感L1的一端连接，控制芯片IC1的参考端Vref端与电路参考端Vref端、上限流电阻R4的一端连接，控制芯片IC1的限流端CTL-I端与上限流电阻R4的另一端、下限流电阻R5的一端连接，下限流电阻R5的另一端接地，控制芯片IC1的地端GND端接地，抑流电感L1的另一端与电容电压指示灯LED1的阳极、超级电容SC1的正极端+端、上分压电阻R7的一端、比较器IC2的正电源端+V端、上拉电阻R11的一端、三极管VT1的射极e端连接，电容电压指示灯LED1的阴极与左灯电阻R6的一端连接，左灯电阻R6的另一端接地，超级电容SC1的负极端-端接地。

欠压保护与输出控制电路包括比较器IC2、跟随器IC3、三极管VT1、MOS管VT2、磁粉制动器BK1、电感续流二极管VD1、负载续流二极管VD2、滤波电感L2、负载电压指示灯LED2、上分压电阻R7、下分压电阻R8、正端电阻R9、滞环电阻R10、上拉电阻R11、基极电阻R12、右灯电阻R13、检测电容C3、输出电容C4、滤波电容C5，上分压电阻R7的另一端与比较器IC2的负输入端-IN端、下分压电阻R8的一端、检测电容C3的一端、跟随器IC3的正输入端+IN端连接，下分压电阻R8的另一端接地，检测电容C3的另一端接地，跟随器IC3的负输入端-IN端与IC3的输出端OUT端、电容监测电压端Ucs端连接，跟随器IC3的正电源端+V端与电路供电电压端Uin端连接，跟随器IC3的地端GND端接地，比较器IC2的正输入端+IN端与正端电阻R9的一端、滞环电阻R10的一端连接，正端电阻R9的另一端与与电路参考端Vref端连接，滞环电阻R10的另一端与IC2的输出端OUT端、IC2的输出使能电压端Uoc端、上拉电阻R11的另一端、基极电阻R12的一端连接，IC2的地端GND端接地，基极电阻R12的另一端与三极管VT1的基极b端连接，三极管VT1的集电极c端与电感续流二极管VD1的阴极、滤波电感L2的一端、负载电压指示灯LED2的阳极连接，负载电压指示灯LED2的阴极与右灯电阻R13的一端连接，电感续流二极管VD1的阳极接地，右灯电阻R13的另一端接地，滤波电感L2的另一端与输出电容C4的正极端+端、滤波电容C5的一端、负载续流二极管VD2的阴极、磁粉制动器BK1的一端连接，输出电容C4的负极端-端接地，滤波电容C5的另一端接地，MOS管VT2的源极s端接地，MOS管VT2的漏极d端与负载续流二极管VD2的阳极、磁粉制动器BK1的另一端连接，MOS管VT2的栅极g端与MOS管驱动电压端Ugs端连接。

本发明的有益效果如下：

本发明利用恒压恒流的双闭环开关电源控制器件、电压比较器、跟随器、功率三极管、功率场效应管等常规器件，实现对超级电容的恒流恒压快速充电与欠压保护电路，且当供电电源断电时由超级电容对卷绕物放卷执行机构-磁粉制动器驱动控制电路进行续航供电，防止断电时因高速生产的惯性造成原料大量报废甚至使生产机组瘫痪，并在超级电容欠压时自动切断负载实现欠压保护以提高超级电容的寿命。该方法功能强、成本低、可靠性高、通用性好、易产品化。

附图说明

图1为本发明的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，基于超级电容续航的磁粉制动器驱动与欠压保护电路，包括恒流恒压充电电路、欠压保护与输出控制电路。

恒流恒压充电电路包括控制芯片IC1、超级电容SC1、抑流电感L1、电容电压指示灯LED1、延时电阻R1、调频电阻R2、调压电阻R3、上限流电阻R4、下限流电阻R5、左灯电阻R6、输入电容C1、延时电容C2，控制芯片IC1的输入端VIN端与电路供电电压端Uin端、延时电阻R1的一端、输入电容C1的一端连接，IC1的运行控制端RUN端与延时电阻R1的另一端、延时电容C2的一端连接，IC1的电阻端RT端与调频电阻R2的一端连接，IC1的调整端ADJ端与调压电阻R3的一端连接，输入电容C1的另一端、延时电容C2的另一端、调频电阻R2的另一端、调压电阻R3的另一端均接地，IC1的输出端VOUT端与抑流电感L1的一端连接，IC1的参考端Vref端与电路参考端Vref端、上限流电阻R4的一端连接，IC1的限流端CTL-I端与上限流电阻R4的另一端、下限流电阻R5的一端连接，下限流电阻R5的另一端接地，IC1的地端GND端接地，抑流电感L1的另一端与电容电压指示灯LED1的阳极、超级电容SC1的正极端+端、上分压电阻R7的一端、比较器IC2的正电源端+V端、上拉电阻R11的一端、三极管VT1的射极e端连接，电容电压指示灯LED1的阴极与左灯电阻R6的一端连接，左灯电阻R6的另一端接地，超级电容SC1的负极端-端接地。

欠压保护与输出控制电路包括比较器IC2、跟随器IC3、三极管VT1、MOS管VT2、磁粉制动器BK1、电感续流二极管VD1、负载续流二极管VD2、滤波电感L2、负载电压指示灯LED2、上分压电阻R7、下分压电阻R8、正端电阻R9、滞环电阻R10、上拉电阻R11、基极电阻R12、右灯电阻R13、检测电容C3、输出电容C4、滤波电容C5，上分压电阻R7的另一端与比较器IC2的负输入端-IN端、下分压电阻R8的一端、检测电容C3的一端、跟随器IC3的正输入端+IN端连接，下分压电阻R8的另一端接地，检测电容C3的另一端接地，IC3的负输入端-IN端与IC3的输出端OUT端、电容监测电压端Ucs端连接，IC3的正电源端+V端与电路供电电压端Uin端连接，IC3的地端GND端接地，比较器IC2的正输入端+IN端与正端电阻R9的一端、滞环电阻R10的一端连接，正端电阻R9的另一端与与电路参考端Vref端连接，滞环电阻R10的另一端与IC2的输出端OUT端、输出使能电压端Uoc端、上拉电阻R11的另一端、基极电阻R12的一端连接，IC2的地端GND端接地，基极电阻R12的另一端与三极管VT1的基极b端连接，三极管VT1的集电极c端与电感续流二极管VD1的阴极、滤波电感L2的一端、负载电压指示灯LED2的阳极连接，负载电压指示灯LED2的阴极与右灯电阻R13的一端连接，电感续流二极管VD1的阳极接地，右灯电阻R13的另一端接地，滤波电感L2的另一端与输出电容C4的正极端+端、滤波电容C5的一端、负载续流二极管VD2的阴极、磁粉制动器BK1的一端连接，输出电容C4的负极端-端接地，滤波电容C5的另一端接地，MOS管VT2的源极s端接地，MOS管VT2的漏极d端与负载续流二极管VD2的阳极、磁粉制动器BK1的另一端连接，MOS管VT2的栅极g端与MOS管驱动电压端Ugs端连接。

本发明所使用的包括控制芯片IC1、比较器IC2、跟随器IC3、三极管VT1、MOS管VT2、电感续流二极管VD1、负载续流二极管VD2等在内的所有器件均采用现有的成熟产品，可以通过市场取得。例如：控制芯片采用LTM8026，比较器采用LM311，跟随器采用OP07，三极管采用B67328PNP达林顿管，二极管采用6TQ045S等。

本发明中的主要电路参数整定原则如下：

(1)超级电容SC1的稳压设定：设超级电容两端电压为Uc(V)，则调压电阻R3的参数整定如式(1)所示。

(2)超级电容充电电流设定：设超级电容的最大充电电流为I_cm(A),则上限流电阻R4、下限流电阻R5的参数配合关系如式(2)所示。

(3)欠压保护阈值的整定：通过调整上分压电阻R7、下分压电阻R8的相对比值可对超级电容的最小工作电压进行保护，低于此最小电压时，使三极管VT1关断，实现欠压保护，停止向负载放电。

(4)超级电容SC1的电容量由续航时间的长短决定，要求的续航时间越长，则所需的超级电容SC1的电容量也越大。

本发明工作过程如下：

如图1所示，本发明电路中的控制芯片IC1是以电流环为内环、电压环为外环的具有电压、电流双闭环控制功能的高效开关电源控制器件，电路供电电压Uin来自外部的直流供电电源，且该电源为单向输出电流的电源。

(1)在外部电源正常供电时，在系统上电初始阶段，电路供电电压Uin经控制芯片IC1对超级电容SC1进行动态恒流、稳态稳压的充电控制，当超级电容SC1的两端电压Uc达到负载电路可正常工作的电压时，比较器IC2输出低电压使三极管VT1饱和导通，提供对负载-磁粉制动器BK1的驱动供电，此后，超级电容SC1的两端电压Uc维持在设定值，在来自上级控制器的MOS管驱动电压Ugs的作用下，磁粉制动器BK1输出制动力矩，实现对放卷轴的制动控制进而实现对卷绕物的恒张力放卷控制。

(2)当外部电源断电时，磁粉制动器BK1的驱动控制电路利用超级电容SC1的蓄能进行一段时间的续航工作，在这段时间内，在来自上级控制器的MOS管驱动电压Ugs的作用下，磁粉制动器BK1依然输出制动力矩，使放卷轴的卷绕物处于恒张力控制状态，防止断电后由于高速生产的惯性作用使放卷轴失去制动作用而导致卷绕物原料被大量放出堆积报废甚至使整个生产机组瘫痪。

(3)图1中的Ucs为输出到上级控制器的超级电容电压监测信号，为模拟量电压信号。Uoc为输出到上级控制器的超级电容欠压保护信号，当处于欠压保护时Uoc为高电平，当正常供电工作时Uoc为低电平。

Claims (3)

1.基于超级电容续航的磁粉制动器驱动与欠压保护电路，包括恒流恒压充电电路、欠压保护与输出控制电路，其特征在于：

恒流恒压充电电路包括控制芯片IC1、超级电容SC1、抑流电感L1、电容电压指示灯LED1、延时电阻R1、调频电阻R2、调压电阻R3、上限流电阻R4、下限流电阻R5、左灯电阻R6、输入电容C1、延时电容C2，控制芯片IC1的输入端VIN端与电路供电电压端Uin端、延时电阻R1的一端、输入电容C1的一端连接，IC1的运行控制端RUN端与延时电阻R1的另一端、延时电容C2的一端连接，IC1的电阻端RT端与调频电阻R2的一端连接，IC1的调整端ADJ端与调压电阻R3的一端连接，输入电容C1的另一端、延时电容C2的另一端、调频电阻R2的另一端、调压电阻R3的另一端均接地，IC1的输出端VOUT端与抑流电感L1的一端连接，IC1的参考端Vref端与电路参考端Vref端、上限流电阻R4的一端连接，IC1的限流端CTL-I端与上限流电阻R4的另一端、下限流电阻R5的一端连接，下限流电阻R5的另一端接地，IC1的地端GND端接地，抑流电感L1的另一端与电容电压指示灯LED1的阳极、超级电容SC1的正极端+端、上分压电阻R7的一端、比较器IC2的正电源端+V端、上拉电阻R11的一端、三极管VT1的射极e端连接，电容电压指示灯LED1的阴极与左灯电阻R6的一端连接，左灯电阻R6的另一端接地，超级电容SC1的负极端-端接地；

欠压保护与输出控制电路包括比较器IC2、跟随器IC3、三极管VT1、MOS管VT2、磁粉制动器BK1、电感续流二极管VD1、负载续流二极管VD2、滤波电感L2、负载电压指示灯LED2、上分压电阻R7、下分压电阻R8、正端电阻R9、滞环电阻R10、上拉电阻R11、基极电阻R12、右灯电阻R13、检测电容C3、输出电容C4、滤波电容C5，上分压电阻R7的另一端与比较器IC2的负输入端-IN端、下分压电阻R8的一端、检测电容C3的一端、跟随器IC3的正输入端+IN端连接，下分压电阻R8的另一端接地，检测电容C3的另一端接地，IC3的负输入端-IN端与IC3的输出端OUT端、电容监测电压端Ucs端连接，IC3的正电源端+V端与电路供电电压端Uin端连接，IC3的地端GND端接地，比较器IC2的正输入端+IN端与正端电阻R9的一端、滞环电阻R10的一端连接，正端电阻R9的另一端与与电路参考端Vref端连接，滞环电阻R10的另一端与IC2的输出端OUT端、输出使能电压端Uoc端、上拉电阻R11的另一端、基极电阻R12的一端连接，IC2的地端GND端接地，基极电阻R12的另一端与三极管VT1的基极b端连接，三极管VT1的集电极c端与电感续流二极管VD1的阴极、滤波电感L2的一端、负载电压指示灯LED2的阳极连接，负载电压指示灯LED2的阴极与右灯电阻R13的一端连接，电感续流二极管VD1的阳极接地，右灯电阻R13的另一端接地，滤波电感L2的另一端与输出电容C4的正极端+端、滤波电容C5的一端、负载续流二极管VD2的阴极、磁粉制动器BK1的一端连接，输出电容C4的负极端-端接地，滤波电容C5的另一端接地，MOS管VT2的源极s端接地，MOS管VT2的漏极d端与负载续流二极管VD2的阳极、磁粉制动器BK1的另一端连接，MOS管VT2的栅极g端与MOS管驱动电压端Ugs端连接。

2.根据权利要求1所述的基于超级电容续航的磁粉制动器驱动与欠压保护电路，其特征在于：

控制芯片IC1采用LTM8026、比较器IC2采用LM311、跟随器IC3采用OP07、三极管VT1采用B67328PNP达林顿管、负载续流二极管VD2采用6TQ045S。

3.根据权利要求1所述的基于超级电容续航的磁粉制动器驱动与欠压保护电路，其特征在于电路参数整定原则如下：

(1)超级电容SC1的稳压设定：设超级电容两端电压为Uc(V)，则调压电阻R3的参数整定如式(1)所示；

$R3=\frac{11.9}{U_c-1.19}\left(k\mathrm{\Ω}\right)---\left(1\right)$

(2)超级电容充电电流设定：设超级电容的最大充电电流为I_cm(A),则上限流电阻R4、下限流电阻R5的参数配合关系如式(2)所示；

$\frac{R4}{R5}=\frac{7.467}{I_{cm}}-1---\left(2\right).$