CN107093889A - 具有过流保护功能的电机控制器 - Google Patents

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Abstract

具有过流保护功能的电机控制器，属于电子电路技术领域。包括电压采样模块、过流保护模块、驱动模块和电子继电器模块；其中电压采样模块采样电机的工作电流，过流保护模块中第一比较器CMP1比较电压采样模块的输出电压V1和第一参考电位Vref1，V1>Vref1时第一比较器CMP1输出高电平，振荡器工作并产生时钟信号CLK；V1≤Vref1时第一比较器CMP1输出低电平，振荡器不工作；计时器在振荡器产生时钟信号CLK时计时，当计时大于设定的时间阈值ts时计时器输出翻转，通过驱动模块关断电子继电器模块，从而关断电机。

Description

具有过流保护功能的电机控制器
技术领域
本发明涉及电子电路技术，具体的说是涉及一种具有过流保护功能的电机控制器。
背景技术
电子继电器是一种电子控制器件，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”，故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。目前，电机的过流保护主要包括机械保护和电子继电器保护。其中，机械保护存在精度差、可靠性无法保证的缺点，而电磁继电器虽然具有很高的可靠性，但是体积大、耗材多，并且受铜的价格限制、成本较高。与以上两种保护方式相比，采用电子继电器保护不仅具有可靠性高、精度好等优势，而且解决了电磁继电器受铜价影响的成本问题，具有更加广阔的应用前景。而现有技术中缺少对电子继电器的过流保护电路，有可能对电机造成伤害，因此，针对电子继电器的过流保护电路的设计尤为重要。
发明内容
本发明所要解决的，就是针对上述不足之处提出了一种具有过流保护功能的电机控制器。
本发明的技术方案为：
具有过流保护功能的电机控制器，包括电子继电器模块、电压采样模块、过流保护模块和驱动模块，所述电子继电器模块的输出端连接电机，其接地端连接所述电压采样模块的输入端；所述过流保护模块的输入端连接所述电压采样模块的输出端，其输出端通过驱动模块后连接电子继电器模块的控制端；
所述过流保护模块包括第一比较器CMP1、振荡器和计时器，所述第一比较器CMP1的正向输入端作为所述过流保护模块的输入端，其负向输入端连接第一参考电位Vref1，其输出端通过振荡器后连接计时器的时钟信号输入端，所述计时器的输出端作为所述过流保护模块的输出端。
具体的，所述振荡器包括第二比较器CMP2、电容C1、第四NMOS管NM4、缓冲器、延迟电路、第五反相器和第六反相器，
第二比较器CMP2的使能端连接所述第一比较器CMP1的输出端，其正向输入端连接第二参考电位Vref2，负向输入端连接第四NMOS管NM4的漏极并通过电容C1后接地，其输出端依次通过缓冲器和延迟电路后连接第五反相器的输入端；第六反相器的输入端连接第五反相器的输出端和第四NMOS管NM4的栅极，其输出端连接所述计时器的时钟信号输入端，第四NMOS管NM4的源极接地。
具体的，所述驱动模块包括第一反相器、第二反相器、第三反相器、第四反相器、第一PMOS管PM1、第二PMOS管PM2、第二NMOS管NM2、第三NMOS管NM3和电阻R1，
第一反相器的输入端连接所述过流保护模块的输出端，第四反相器的输出端连接所述电子继电器模块的控制端；
第二反相器的输入端连接第一反相器的输出端和第二NMOS管NM2的栅极，其输出端连接第三NMOS管NM3的栅极；
第一PMOS管PM1的漏极连接第二NMOS管NM2的漏极和第二PMOS管PM2的栅极，其栅极连接第二PMOS管PM2的漏极、第三NMOS管NM3的漏极和第三反相器的输入端，第二NMOS管NM2和第三NMOS管NM3的源极接地，第一PMOS管PM1和第二PMOS管PM2的源极接电机的供电电压VIN；
第四反相器的输入端连接第三反相器的输出端，电阻R1接在第四反相器的输出端和地之间。
具体的，所述电子继电器模块包括第一NMOS管NM1，第一NMOS管NM1的栅极作为所述电子继电器模块的控制端，其漏极作为所述电子继电器模块的输出端，其源极作为所述电子继电器模块的接地端。
具体的，所述电子继电器模块为IGBT功率模块。
具体的，所述电子继电器模块为GTO功率模块。
具体的，所述电压采样模块包括采样电阻Rs和运算放大器OPA，运算放大器OPA的负向输入端作为所述电压采样模块的输入端，其正向输入端接地，其输出端作为所述电压采样模块的输出端，采样电阻Rs接在所述电压采样模块的输入端和地之间。
具体的，在交流应用下，所述电压采样模块由阻容分压模块构成。
具体的，在交流应用下，所述电压采样模块由电容串联分压模块构成。
本发明的工作原理为：电压采样模块采样电机的工作电流，过流保护模块识别电机是否发生堵转并通过驱动模块控制电子继电器模块的开启和关断；过流保护模块中第一比较器CMP1比较电压采样模块的输出电压V1和第一参考电位Vref1，V1>Vref1时第一比较器CMP1输出高电平，振荡器工作并产生时钟信号CLK；V1≤Vref1时第一比较器CMP1输出低电平，振荡器不工作；计时器在振荡器产生时钟信号CLK时计时，当计时大于设定的时间阈值ts时计时器输出翻转，通过驱动模块关断电子继电器模块，从而关断电机。
当电机上电正常起动时，流过电机的电流I产生一个很大的峰值，进而缓慢降低为正常工作时的电流值。在电机电流大于设定阈值Iset时，电压采样模块的输出电压V1>Vref1，此时比较器CMP1的输出V2为高电平并控制振荡器工作产生时钟信号CLK，计时器开始计时；在电机电流下降到小于设定阈值Iset时，电压采样模块的输出电压V1≤Vref1，此时比较器CMP1的输出V2为低电平，其控制振荡器停止工作不再产生时钟信号CLK，计时器停止计时。在计时器计时达到设定时间阈值ts前过流保护模块输出V3不翻转始终为低电平。根据实际检测，使该时间阈值ts大于上电过程中电机电流降到设定阈值Iset所用的时间，其中时间阈值ts通常在1s以内，在上电的整个过程中过流保护模块输出V3不翻转且始终为低电平；V3经过驱动模块后输出的V4为高电平，开启电子继电器，电机正常起动。
当电机正常运转时，流过电机的电流I经过电压采样模块后得到电压采样模块的输出电压V1，此时V1≤Vref1，则比较器CMP1的输出为低电平，其控制振荡器不工作因此没有时钟信号输出，此时计时器输出V3为低电平；V2为低电平，经过驱动模块后到达输出端V4为高电平，开启电子继电器模块，电机正常运转。
当电机发生堵转过流时，流过电机的电流I始终处于一个较大峰值，峰值电流随时间起初会有轻微下降然后保持不变，但是该电流始终明显大于设定电流阈值Iset，此时电压采样模块输出V1>Vref1，比较器CMP1的输出V2为高电平，其控制振荡器工作产生时钟信号CLK，计时器开始计时，计时器达到设定时间阈值ts时过流保护模块的输出V3从低电平翻转为高电平并且始终保持高电平直到重新上电；V3经过驱动模块后到达输出端V4为低电平，关断电子继电器，从而关断电机。
本发明的有益效果是：提供一种具有过流保护功能的电机控制器，能够准确有效地区分电机上电时和堵转过流时造成的大电流，在电压采样模块采样到大电压时，过流保护模块识别电机是否发生堵转，一旦确认电机发生堵转，及时关断电子继电器，进而关断电机，保护芯片和电机。
附图说明
图1所示是本发明提供的具有过流保护功能的电机控制器结构示意图；
图2是实施例中上电过程中电机工作电流与采样模块输出电压V1以及过流保护模块中各个信号的关系图；
图3是实施例中堵转过程中电机堵转电流与采样模块输出电压V1以及过流保护模块中各个信号的关系图；
图4是过流保护模块中振荡器的一种电路实施方式的结构示意图；
图5是实施例中驱动模块的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案：
如图1所示为本发明提供的一种具有过流保护功能的电机控制器，包括电压采样模块、过流保护模块、驱动模块、电子继电器模块；电子继电器模块的输出端连接电机，其接地端连接电压采样模块的输入端；过流保护模块的输入端连接电压采样模块的输出端，其输出端通过驱动模块后连接电子继电器模块的控制端；其中，电压采样模块采样电机的工作电流，过流保护模块在电机发生过流时关断电机，驱动模块控制电子继电器的开启与关断。
过流保护模块包括第一比较器CMP1、振荡器和计时器，第一比较器CMP1的正向输入端作为过流保护模块的输入端，其负向输入端连接第一参考电位Vref1，其输出端通过振荡器后连接计时器的时钟信号输入端，计时器的输出端作为过流保护模块的输出端。
实施例：
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1中的电压采样模块所示，本实施例中的电压采样模块包括采样电阻Rs和运算放大器OPA，运算放大器OPA的负向输入端作为电压采样模块的输入端，其正向输入端接地，其输出端作为电压采样模块的输出端，采样电阻Rs接在所述电压采样模块的输入端和地之间。
在交流应用下，电压采样模块还可以由阻容分压模块或电容串联分压模块构成。
如图4所示，本实施例中的振荡器包括第二比较器CMP2、电容C1、第四NMOS管NM4、缓冲器、延迟电路、第五反相器和第六反相器，第二比较器CMP2的使能端连接第一比较器CMP1的输出端，其正向输入端连接第二参考电位Vref2，负向输入端连接第四NMOS管NM4的漏极并通过电容C1后接地，其输出端依次通过缓冲器和延迟电路后连接第五反相器的输入端；第六反相器的输入端连接第五反相器的输出端和第四NMOS管NM4的栅极，其输出端连接计时器的时钟信号输入端，第四NMOS管NM4的源极接地。
如图5所示，本实施例中的驱动模块包括第一反相器、第二反相器、第三反相器、第四反相器、第一PMOS管PM1、第二PMOS管PM2、第二NMOS管NM2、第三NMOS管NM3和电阻R1，第一反相器的输入端连接过流保护模块的输出端，第四反相器的输出端连接电子继电器模块的控制端；第二反相器的输入端连接第一反相器的输出端和第二NMOS管NM2的栅极，其输出端连接第三NMOS管NM3的栅极；第一PMOS管PM1的漏极连接第二NMOS管NM2的漏极和第二PMOS管PM2的栅极，其栅极连接第二PMOS管PM2的漏极、第三NMOS管NM3的漏极和第三反相器的输入端，第二NMOS管NM2和第三NMOS管NM3的源极接地，第一PMOS管PM1和第二PMOS管PM2的源极接电机的供电电压VIN；第四反相器的输入端连接第三反相器的输出端，电阻R1接在第四反相器的输出端和地之间。其中电机的供电电压VIN为直流电压，大约为12V。
本实施例中电子继电器模块包括第一NMOS管NM1，第一NMOS管NM1的栅极作为电子继电器模块的控制端，其漏极作为电子继电器模块的输出端，其源极作为电子继电器模块的接地端。
电子继电器模块还可以为IGBT功率模块或GTO功率模块。其中IGBT功率模块包括一个IGBT管，即绝缘栅双极型晶体管，GTO功率模块包括一个GTO管，即门极关断晶闸管，其连接方式与第一NMOS管NM1相同。
本实施例的工作原理为：
当电机上电正常起动时，流过电机的电流I产生一个很大的峰值，进而缓慢降低为正常工作时的电流值。在电机电流大于设定阈值Iset时，电压采样模块输出V1>Vref1，此时比较器CMP1的输出V2为高电平，其控制振荡器工作产生时钟信号CLK，计时器开始计时；在电机电流下降到小于设定阈值Iset时，电压采样模块输出V1≤Vref1，此时比较器CMP1的输出V2为低电平，其控制振荡器停止工作不再产生时钟信号CLK，计时器停止计时。在计时器计时达到设定时间阈值ts前过流保护模块输出V3不翻转始终为低电平。根据实际检测，使该时间阈值ts大于上电过程中电机电流降到设定阈值Iset所用的时间，在上电的整个过程中过流保护模块输出V3不翻转且始终为低电平，如图2所示；V3为驱动模块的输入，经过驱动模块中的反相器1、反相器2控制NM2、PM2导通、PM1、NM3关断，经过反相器3、反相器4到达输出端V4为高电平，开启电子继电器，电机正常起动。
当电机正常运转时，流过电机的电流为I，I经过电压采样模块中的电阻Rs采样通过运算放大器OPA得到一个电压V1，此时V1≤Vref1，其中，Vref1为过流保护模块中比较器CMP1的反向输入端的参考电压；过流保护模块的输入电压为V1，即过流保护模块中比较器CMP1的同向输入端输入信号为V1，过流保护模块中比较器CMP1的反向输入端的参考电压Vref1，其中V1≤Vref1，则比较器CMP1的输出为低电平，其控制振荡器不工作因此没有时钟信号输出，此时计时器输出V3为低电平；V2为低电平，经过驱动模块中的反相器1、反相器2控制NM2、PM2导通、PM1、NM3关断，经过反相器3、反相器4到达输出端V4为高电平，开启电子继电器，电机正常运转。
当电机发生堵转过流时，流过电机的电流I始终处于一个较大峰值，峰值电流随时间起初会有轻微下降然后保持不变，但是该电流始终明显大于设定电流阈值Iset，此时电压采样模块输出V1>Vref1，比较器CMP1的输出V2为高电平，其控制振荡器工作产生时钟信号CLK，计时器开始计时，计时器达到设定时间阈值ts过流保护模块输出V3从低电平翻转为高电平并且始终保持高电平直到重新上电，如图3所示；V3为驱动模块的输入，经过驱动模块中的反相器1、反相器2控制NM2、PM2关断、PM1、NM3导通，经过反相器3、反相器4到达输出端V4为低电平，关断电子继电器，从而关断电机。

Claims (9)

1.具有过流保护功能的电机控制器，包括电子继电器模块、电压采样模块、过流保护模块和驱动模块，所述电子继电器模块的输出端连接电机，其接地端连接所述电压采样模块的输入端；所述过流保护模块的输入端连接所述电压采样模块的输出端，其输出端通过驱动模块后连接电子继电器模块的控制端；
其特征在于，所述过流保护模块包括第一比较器(CMP1)、振荡器和计时器，所述第一比较器(CMP1)的正向输入端作为所述过流保护模块的输入端，其负向输入端连接第一参考电位(Vref1)，其输出端通过振荡器后连接计时器的时钟信号输入端，所述计时器的输出端作为所述过流保护模块的输出端。
2.根据权利要求1所述的具有过流保护功能的电机控制器，其特征在于，所述振荡器包括第二比较器(CMP2)、电容(C1)、第四NMOS管(NM4)、缓冲器、延迟电路、第五反相器和第六反相器，
第二比较器(CMP2)的使能端连接所述第一比较器(CMP1)的输出端，其正向输入端连接第二参考电位(Vref2)，负向输入端连接第四NMOS管(NM4)的漏极并通过电容(C1)后接地，其输出端依次通过缓冲器和延迟电路后连接第五反相器的输入端；第六反相器的输入端连接第五反相器的输出端和第四NMOS管(NM4)的栅极，其输出端连接所述计时器的时钟信号输入端，第四NMOS管(NM4)的源极接地。
3.根据权利要求1所述的具有过流保护功能的电机控制器，其特征在于，所述驱动模块包括第一反相器、第二反相器、第三反相器、第四反相器、第一PMOS管(PM1)、第二PMOS管(PM2)、第二NMOS管(NM2)、第三NMOS管(NM3)和电阻(R1)，
第一反相器的输入端连接所述过流保护模块的输出端，第四反相器的输出端连接所述电子继电器模块的控制端；
第二反相器的输入端连接第一反相器的输出端和第二NMOS管(NM2)的栅极，其输出端连接第三NMOS管(NM3)的栅极；
第一PMOS管(PM1)的漏极连接第二NMOS管(NM2)的漏极和第二PMOS管(PM2)的栅极，其栅极连接第二PMOS管(PM2)的漏极、第三NMOS管(NM3)的漏极和第三反相器的输入端，第二NMOS管(NM2)和第三NMOS管(NM3)的源极接地，第一PMOS管(PM1)和第二PMOS管(PM2)的源极接电机的供电电压(VIN)；
第四反相器的输入端连接第三反相器的输出端，电阻(R1)接在第四反相器的输出端和地之间。
4.根据权利要求1所述的具有过流保护功能的电机控制器，其特征在于，所述电子继电器模块包括第一NMOS管(NM1)，第一NMOS管(NM1)的栅极作为所述电子继电器模块的控制端，其漏极作为所述电子继电器模块的输出端，其源极作为所述电子继电器模块的接地端。
5.根据权利要求1所述的具有过流保护功能的电机控制器，其特征在于，所述电子继电器模块为IGBT功率模块。
6.根据权利要求1所述的具有过流保护功能的电机控制器，其特征在于，所述电子继电器模块为GTO功率模块。
7.根据权利要求1所述的具有过流保护功能的电机控制器，其特征在于，所述电压采样模块包括采样电阻(Rs)和运算放大器(OPA)，运算放大器(OPA)的负向输入端作为所述电压采样模块的输入端，其正向输入端接地，其输出端作为所述电压采样模块的输出端，采样电阻(Rs)接在所述电压采样模块的输入端和地之间。
8.根据权利要求1所述的具有过流保护功能的电机控制器，其特征在于，在交流应用下，所述电压采样模块由阻容分压模块构成。
9.根据权利要求1所述的具有过流保护功能的电机控制器，其特征在于，在交流应用下，所述电压采样模块由电容串联分压模块构成。
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