CN107171603A - 一种小型直流电动机电流检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种小型直流电动机电流检测系统，其特征在于，包括控制单元，所述控制单元连接有DC/DC变换单元、电流检测单元、保护控制单元和数据通信单元，DC/DC变换单元连接有整流单元，电流检测单元和保护控制单元连接，整流单元和电流检测单元均连接到H桥驱动电路输出端。该系统还包括上位计算机，控制单元通过数据通信大院以RS485串行通信的方式将直流电动机电流幅值、方向、电压幅值信息实时上传至上位计算机并接收来自上位计算机的控制信号。

Description

一种小型直流电动机电流检测系统
技术领域
本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种小型直流电动机电流检测系统。
背景技术
电流闭环控制作为电机控制领域中一大分支，一直以来都备受关注。在电流闭环控制过程中，对绕组电流的直接或间接控制决定了电机能否平稳运行，而要控制电机绕组电流，控制系统必须能够实时获取精确的电流值。
当前直流电动机控制系统多为控制部分与驱动部分集成式设计结构，对于具有电流检测功能的控制系统，其电流检测电路需配合霍尔传感器或电流互感器等外部传感器使用，这不仅增加了结构复杂度和系统空间，也增加了设计成本。
对于不具备电流检测功能的集成式控制系统，因直流电动机多采用H桥驱动，通过改变电动机的电流方向使直流电动机转向发生变化，传统的电流检测方法因成本、结构等原因，不能完全满足电流检测（尤其是小型直流电动机电流检测）要求，因此亟需一种结构简单、安全可靠的电流检测装置。此为现有技术的不足之处。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述现有技术存在的缺陷，提供设计一种小型直流电动机电流检测系统，以解决上述技术问题。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种小型直流电动机电流检测系统，包括控制单元，所述控制单元连接有DC/DC变换单元、电流检测单元、保护控制单元和数据通信单元，DC/DC变换单元连接有整流单元，电流检测单元和保护控制单元连接，整流单元和电流检测单元均连接到H桥驱动电路输出端。
进一步的，电流检测单元包括电流幅值检测电路部分和电流方向检测电路部分。
进一步的，电流幅值检测电路部分包括第三电阻和继电器，第三电阻的第一端连接到H桥驱动电路输出端M1，第二端连接有电容的一端，电容的另一端连接继电器的第三管脚，继电器的第一管脚通过第四电阻连接到H桥驱动电路输出端M2；
第三电阻的第二端连接有第四二极管的阴极，第四二极管的阳极连接有第五二极管的阳极，第五二极管的阴极连接到继电器第一管脚，第四二极管和第五二极管连接处通过第五电阻连接到整流单元正电压输出端；
电容两端并联电动机。
进一步的，电流方向检测电路部分包括第二电阻，第二电阻的一端连接到H桥驱动电路输出端M1，另一端连接有第三二极管的阳极，第三二极管的阴极连接到H桥驱动电路输出端M2，第三二极管的两端并联有第二二极管，并且第二二极管和第三二极管同向并联，第二二极管与第二电阻的连接处连接有第一电阻，所述第一电阻连接有第一二极管的阴极，第一二极管的阳极接地。
进一步的，电流检测单元通过继电器与保护控制单元连接，保护控制单元包括三极管，三极管的集电极与继电器的第四管脚连接，三极管的集电极还连接有第六二极管的阳极，第六二极管的阴极连接到继电器第五管脚，并且第六二极管的阴极还通过第六电阻连接到整流单元正电压输出端，第六电阻两端并联有第七电阻，三极管的基极通过第八电阻连接控制单元输出信号端，三极管的发射极接地。
进一步的，第一二极管和第二二极管均为稳压二极管。
控制单元的核心为单片机，所述单片机型号为STC15W408AS。
所述整流单元采用全桥整流的方式将H桥输出端的双向电压转换为单向直流电压。
数据通信单元包括RS485通信电路，所述RS485通信电路核心为接口芯片，所述接口芯片的型号为MAX487。
进一步的，该系统还包括上位计算机，控制单元通过数据通信大院以RS485串行通信的方式将直流电动机电流幅值、方向、电压幅值信息实时上传至上位计算机并接收来自上位计算机的控制信号。
整流单元采用全桥整流方式，将H桥驱动电路的输出端（M1、M2）的双向电压转换为单向直流电压24v，经DC/DC变换单元，获取稳定的5V电源，为控制单元、电流检测单元、保护控制单元、数据通信单元等提供稳定的供电电源和参考地平面。
控制单元的核心为单片机，单片机的型号为STC15W408AS，通过AD口和IO口实时采样电流检测单元获得的电流幅值和方向电压信号， 进行计算并得到实际电流幅值和电流方向；通过简单地电阻分压电路实时采样全桥整流单元整流输出电压值，一旦驱动电路出现过流、过压、欠压等问题，控制保护单元切断直流电动机供电回路，保护电机；同时，控制单元还通过数据通信单元，以RS485串行通信方式，将直流电动机电流幅值、方向、电压幅值等信息实时上传至上位计算机并接收来自上位计算机的控制信号。
保护控制单元包括电动机供电回路继电器及外围器件，根据电流检测单元获取的电流值和控制单元获取的供电电压值，当回路电流过流、电压过压/欠压时，控制单元控制自动断开继电器，切断电动机供电回路以实现电动机保护。
所述数据通信单元为以接口芯片MAX487为核心构成的RS485通信电路，用于将单片机STC15W408AS输出的RS232电平转换成RS485电平，实现电动机电流远距离实时上传，同时，可接收来自上位计算机的控制指令，用于对电流过流阈值、电压过压/欠压阈值设定、停机/启动控制等。
本发明的有益效果在于，本发明提供的技术方案电流采样无需外置电流互感器等，电路结构简单，体积小，整体设计成本较低；可同时采样电流幅值和方向信息，所有采样口均具有稳压二极管进行保护，安全可靠，采样精度高，方向判断准确；稳定可靠的过流、过压、欠压保护功能，可防止驱动线路故障等原因损坏电机；实时高效的数据通信功能，可实现电流幅值及方向的远程检测与检测装置远程控制。
此外，本发明设计原理可靠，结构简单，具有非常广泛的应用前景。
由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著地进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
附图说明
图1为本实施例提供的一种小型直流电动机电流检测系统的结构框图。
图2为图1中电流检测单元和保护控制单元电路图。
其中，1-控制单元，2-电流检测单元，3-保护控制单元，4-DC/DC变换单元，5-数据通信单元，6-整流单元，7-上位计算机，R1-第一电阻，R2-第二电阻，R3-第三电阻，R4-第四电阻，R5-第五电阻，R6-第六电阻，R7-第七电阻，R8-第八电阻，D1-第一二极管，D2第二二极管，D3-第三二极管，D4-第四二极管，D5-第五二极管，D6-第六二极管，K1-继电器，C1-电容，Q1-三极管。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施例对本发明进行详细阐述，以下实施例是对本发明的解释，而本发明并不局限于以下实施方式。
如图1所示，本实施例提供的一种小型直流电动机电流检测系统，包括控制单元1，所述控制单元1连接有DC/DC变换单元4、电流检测单元2、保护控制单元3和数据通信单元5，所述DC/DC变换单元4连接有整流单元6，电流检测单元2和保护控制单元3连接，整流单元6和电流检测单元2均连接到H桥驱动电路输出端（M1、M2）。
电流检测单元2包括电流幅值检测电路部分和电流方向检测电路部分。
如图2所示，电流幅值检测电路部分包括第三电阻R3和继电器K1，第三电阻R3的第一端连接到H桥驱动电路输出端M1，第二端连接有电容C1的一端，电容C1的另一端连接继电器K1的第三管脚，继电器K1的第一管脚通过第四电阻R4连接到H桥驱动电路输出端M2；
第三电阻R3的第二端连接有第四二极管D4的阴极，第四二极管D4的阳极连接有第五二极管D5的阳极，第五二极管D5的阴极连接到继电器K1第一管脚，第四二极管D4和第五二极管D5连接处通过第五电阻R5连接到整流单元正电压24V输出端；
电容C1两端并联电动机。
电流方向检测电路部分包括第二电阻R2，第二电阻R2的一端连接到H桥驱动电路输出端M1，另一端连接有第三二极管D3的阳极，第三二极管D3阴极连接到H桥驱动电路输出端M2，第三二极管D3的两端并联有第二二极管D2，并且第二二极管D2和第三二极管D3同向并联，第二二极管D2阳极与第二电阻R2的连接处连接有第一电阻R1，所述第一电阻R1连接有第一二极管D1的阴极，第一二极管D1的阳极接地。
电流检测单元通过继电器K1与保护控制单元3连接，保护控制单元3包括三极管Q1，三极管Q1的集电极连接到继电器K1的第四管脚，三极管Q1的集电极还连接有第六二极管D6的阳极，第六二极管D6阴极连接到继电器K1第五管脚，第六二极管D6的阴极还通过第六电阻R6连接到整流单元6的正电压24V输出端，第六电阻R6两端并联有第七电阻R7，三极管Q1的基极通过第八电阻R8连接控制单元1输出信号端，三极管Q1发射极接地。
第一二极管D1和第二二极管D2均为稳压二极管。
控制单元1的核心为单片机，所述单片机型号为STC15W408AS。
所述整流单元采用全桥整流的方式将H桥输出端的双向电压转换为单向直流电压。
数据通信单元5包括RS485通信电路，所述RS485通信电路核心为接口芯片，所述接口芯片的型号为MAX487。
该系统还包括上位计算机7，控制单元1通过数据通信单元5以RS485串行通信的方式将直流电动机电流幅值、方向、电压幅值信息实时上传至上位计算机7并接收来自上位计算机7的控制信号。
整流单元采用全桥整流方式，将H桥驱动电路的输出端（M1、M2）的双向电压转换为单向直流电压24v，经DC/DC变换单元，获取稳定的5V电源，为控制单元、电流检测单元、保护控制单元、数据通信单元等提供稳定的供电电源和参考地平面。
所述电流检测单元2包括电流幅值检测电路部分和电流方向检测电路部分，电流幅值检测电路中，当H桥驱动电路输出端M1电压高于M2端电压时，电流流向为M1→R3→电动机→继电器K1→R4→M2，此时，电流采样电阻为R4，V=VM2+VR4+VD5，相比于M2点，全桥整流后的GND电压高一个整流二极管管压降，即VGND=VM2+VD为保证采样精度，整流单元6中的整流二极管D与反向保护二极管D4、D5采用同一型号，从而VD=VD4=VD5，因此此时电流幅值IR=VR4/R4；
电流幅值检测电路中，当H桥驱动电路输出端M1电压低于M2端电压时，电流流向为M2→R4→继电器K1→电动机→R3→M1，检测原理与上述类似，电流幅值IR=VR3/R3；
电流方向检测电路中，当H桥驱动电路输出端M1电压高于M2端电压时，电流流向为M1→R2→D2//D3→M2，二极管D2或D3正向导通，此时方向判断电平为低电平；
电流方向检测电路中，当H桥驱动电路输出端M1电压低于M2端电压时，二极管D3反向截止，此时5V稳压管D1、D2和限流电阻R1形成回路，保证方向判断电平为5V高电平。
本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等（如果存在）是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
以上公开的仅为本发明的优选实施方式，但本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的没有创造性的变化，以及在不脱离本发明原理前提下所作的若干改进和润饰，都应落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种小型直流电动机电流检测系统，其特征在于，包括控制单元，所述控制单元连接有DC/DC变换单元、电流检测单元、保护控制单元和数据通信单元，DC/DC变换单元连接有整流单元，电流检测单元和保护控制单元连接，整流单元和电流检测单元均连接到H桥驱动电路输出端。
2.根据权利要求1所述的一种小型直流电动机电流检测系统，其特征在于，电流检测单元包括电流幅值检测电路部分和电流方向检测电路部分。
3.根据权利要求2所述的一种小型直流电动机电流检测系统，其特征在于，电流幅值检测电路部分包括第三电阻和继电器，第三电阻的第一端连接到H桥驱动电路输出端M1，第二端连接有电容的一端，电容的另一端连接继电器的第三管脚，继电器的第一管脚通过第四电阻连接到H桥驱动电路输出端M2；
第三电阻的第二端连接有第四二极管的阴极，第四二极管的阳极连接有第五二极管的阳极，第五二极管的阴极连接到继电器第一管脚，第四二极管和第五二极管连接处通过第五电阻连接到整流单元正电压输出端；
电容两端并联电动机。
4.根据权利要求3所述的一种小型直流电动机电流检测系统，其特征在于，电流方向检测电路部分包括第二电阻，第二电阻的一端连接到H桥驱动电路输出端M1，另一端连接有第三二极管的阳极，第三二极管的阴极连接到H桥驱动电路输出端M2，第三二极管的两端并联有第二二极管，并且第二二极管和第三二极管同向并联，第二二极管与第二电阻的连接处连接有第一电阻，所述第一电阻连接有第一二极管阴极，第一二极管的阳极接地。
5.根据权利要求4所述的一种小型直流电动机电流检测系统，其特征在于，电流检测单元通过继电器与保护控制单元连接，保护控制单元包括三极管，三极管的集电极与继电器的第四管脚连接，三极管的集电极还连接有第六二极管的阳极，第六二极管的阴极连接到继电器第五管脚，并且第六二极管的阴极还通过第六电阻连接到整流单元正电压输出端，第六电阻两端并联有第七电阻，三极管的基极通过第八电阻连接控制单元输出信号端，三极管的发射极接地。
6.根据权利要求5所述的一种小型直流电动机电流检测系统，其特征在于，第一二极管和第二二极管均为稳压二极管。
7.根据权利要求1所述的一种小型直流电动机电流检测系统，其特征在于，控制单元的核心为单片机，所述单片机型号为STC15W408AS。
8.根据权利要求1所述的一种小型直流电动机电流检测系统，其特征在于，所述整流单元采用全桥整流的方式将H桥输出端的双向电压转换为单向直流电压。
9.根据权利要求1所述的一种小型直流电动机电流检测系统，其特征在于，数据通信单元包括RS485通信电路，所述RS485通信电路核心为接口芯片，所述接口芯片的型号为MAX487。
10.根据权利要求9所述的一种小型直流电动机电流检测系统，其特征在于，该系统还包括上位计算机，控制单元通过数据通信单元以RS485串行通信的方式将直流电动机电流幅值、方向、电压幅值信息实时上传至上位计算机并接收来自上位计算机的控制信号。
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