CN109067306B - 一种应用于电机的限流控制电路和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种应用于电机的限流控制电路和方法，其电路包括：电机驱动控制单元，反相器，电流感应电阻，运算放大器和用于产生使能控制信号的信号发生单元；所述电机驱动控制单元分别与电源端，所述信号发生单元，以及所述电流感应电阻连接；所述反相器的输出端和输入端分别与所述电机驱动控制单元以及信号发生单元连接；所述反相器的电源输入端与所述运算放大器的电源输出端连接，所述运算放大器的正向输入端接入参考电压，所述运算放大器的反向输入端分别与所述电机驱动控制单元和所述电流感应电阻连接，所述电流感应电阻接地。本发明实现无需限流电阻，简单方便实现限制电机上电时的峰值电流，保护电机，提升效率的目的。
Description
技术领域
本发明涉及电机控制领域，尤指一种应用于电机的限流控制电路和方法。
背景技术
电机广泛应用在日常生活中，但是针对电机上电时极大的峰值电流困扰着设计者。因为在电机上电短时间内，电机并没有开始转动，此时整个线圈全部接入供电，峰值电流接近V/R。V为电机驱动电压，R为电机线圈内阻。一般电机线圈内阻只有几欧姆，从而产生的峰值电流可以达到1安培以上。如此大的峰值电流不仅使得板级电路难以实现，而且对前级电源驱动能力要求极高。而且长时间直接驱动电机，会极大的降低电机的寿命。
为了减小电机上电时的峰值电流，主流有两种做法。
1.电源上加限流电阻，如图1所示。例如，线圈内阻为R，外加限流电阻也为R，则上电时的峰值电流就减半了。但是此方法需要加一个大功率的电阻在电源上。同时外加的电阻能量完全耗散掉，极大的降低了系统的效率。
2.电机开关控制信号采用PWM时序控制，如图2所示。该PWM通过是的驱动控制信号占空比变化从0％到100％。这样可以是的驱动电流变化比较平坦，并且不会产生大的峰值电流。但是其需要比较复杂的单片机控制。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用于电机的限流控制电路和方法，实现无需限流电阻，简单方便实现限制电机上电时的峰值电流，保护电机，提升效率的目的。
本发明提供的技术方案如下：
本发明提供一种应用于电机的限流控制电路，包括：
电机驱动控制单元，反相器，电流感应电阻，运算放大器和用于产生使能控制信号的信号发生单元；
所述电机驱动控制单元分别与电源端，所述信号发生单元，以及所述电流感应电阻连接；所述反相器的输出端和输入端分别与所述电机驱动控制单元以及信号发生单元连接；
所述反相器的电源输入端与所述运算放大器的电源输出端连接，所述运算放大器的正向输入端接入参考电压，所述运算放大器的反向输入端分别与所述电机驱动控制单元和所述电流感应电阻连接，所述电流感应电阻接地。
进一步的，所述电机驱动控制单元包括：
电机、P型MOS管、N型MOS管；
所述P型MOS管的源极与所述电源端连接，所述P型MOS管的栅极与所述信号发生单元连接，所述P型MOS管的漏极与所述电机的一端连接；
所述电机的另一端与所述N型MOS管的漏极连接，所述N型MOS管的源极与所述电流感应电阻连接，所述N型MOS管的栅极与所述反相器的输出端连接；
所述反相器为低电平有效的带使能控制端的反相器。
进一步的，所述电机驱动控制单元还包括：
电机、P型MOS管、N型MOS管；
所述N型MOS管的漏极与所述电源端连接，所述N型MOS管的栅极与所述信号发生单元连接，所述N型MOS管的源极与所述电机的一端连接；
所述电机的另一端与所述P型MOS管的源极连接，所述P型MOS管的漏极与所述电流感应电阻连接，所述P型MOS管的栅极与所述反相器的输出端连接；
所述反相器为高电平有效的带使能控制端的反相器。
进一步的，所述运算放大器为单级运算放大器；所述单级运算放大器包括：八个MOS管；
第七MOS管和第八MOS管共栅极，第七MOS管的源极为所述正向输入端，第八MOS管的源极为所述反向输入端；
电流输入端分别与第一MOS管、第二MOS管的源极连接，第一MOS管与第三MOS管共漏极，第二MOS管与第四MOS管共漏极，第五MOS管与第三MOS管共栅极，第六MOS管与第四MOS管共栅极；
第五MOS管与第七MOS管共漏极，第六MOS管与第八MOS管共漏极；第三MOS管，第四MOS管，第五MOS管，第六MOS管的源极分别接地；
其中，第一MOS管，第二MOS管，第七MOS管，第八MOS管均为P型MOS管，第三MOS管，第四MOS管，第五MOS管，第六MOS管均为N型MOS管。
进一步的，所述运算放大器为两级及两级以上的运算放大器。
本发明还提供一种应用于电机的限流控制方法，包括步骤：
搭建应用于电机的限流控制电路，应用于电机的限流控制电路具体包括：电机驱动控制单元，反相器，电流感应电阻，运算放大器和用于产生使能控制信号的信号发生单元；电机驱动控制单元分别与电源端，信号发生单元，以及电流感应电阻连接；反相器的输出端和输入端分别与所述电机驱动控制单元以及信号发生单元连接；所述反相器的电源输入端与所述运算放大器的电源输出端连接，所述运算放大器的正向输入端接入参考电压，所述运算放大器的反向输入端分别与所述电机驱动控制单元和所述电流感应电阻连接，所述电流感应电阻接地；
所述信号发生单元生成使能控制信号，控制所述P型MOS管、N型MOS管导通；
当所述电流感应电阻的压降电流值的乘积达到参考电压时，产生负反馈环路，控制流入所述电机的电流保持不变。
进一步的，包括步骤：
当所述电机驱动控制单元包括：电机、P型MOS管、N型MOS管，所述反相器为低电平有效的带使能控制端的反相器，且所述P型MOS管的漏极与所述电源端连接，所述P型MOS管的栅极与所述信号发生单元连接，所述P型MOS管的源极与所述电机的一端连接；所述电机的另一端与所述N型MOS管的漏极连接，所述N型MOS管的源极与所述电流感应电阻连接，所述N型MOS管的栅极与所述反相器的输出端连接时，控制所述信号发生单元输入低电平的使能控制信号。
进一步的，包括步骤：
当所述电机驱动控制单元包括：电机、P型MOS管、N型MOS管，所述反相器为高电平有效的带使能控制端的反相器，且所述N型MOS管的漏极与所述电源端连接，所述N型MOS管的栅极与所述信号发生单元连接，所述N型MOS管的源极与所述电机的一端连接；所述电机的另一端与所述P型MOS管的漏极连接，所述P型MOS管的源极与所述电流感应电阻连接，所述P型MOS管的栅极与所述反相器的输出端连接时，控制所述信号发生单元输入高电平的使能控制信号。
通过本发明提供的一种应用于电机的限流控制电路和方法，能够带来以下至少一种有益效果：
1)本发明通过低阻值电阻检测电机驱动电流大小，反馈到运算放大器输入端并与参考电压做比较，形成负反馈回路，完成限流作用，避免了电机在打开的时候产生的极大的峰值电流，对系统电路和电机本身的过流损坏，同时降低了系统前级电流驱动能力的要求。
2)本发明负反馈环路可以精确控制通过电机的电流大小，且电流限流大小由参考电压与电流感应电阻决定，具有可配置性。
3)本发明由于电流感应电阻的电阻阻值极小，电机在额定工作状态下几乎不损耗系统的工作效率，降低额外能耗。
4)本发明无需限流电阻进行限流减小电机上电时的峰值电流，增加电机的使用寿命的同时，由于减少限流电阻的限流作用，从而减少能量消耗，提高系统的效率。
5)本发明不需要经过复杂的单片机控制的PWM波形控制，结构简单，芯片集成度高，易于实现。
附图说明
下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种应用于电机的限流控制电路和方法的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
图1是现有技术中电源上加限流电阻进行限流的结构示意图；
图2是现有技术中PWM时序控制进行限流的结构示意图；
图3是本发明应用于电机的限流控制电路的一个实施例的结构示意图；
图4是本发明应用于电机的限流控制电路的另一个实施例的结构示意图；
图5是本发明应用于电机的限流控制电路的另一个实施例的结构示意图；
图6是本发明应用于电机的限流控制电路的单级运算放大器的结构示意图；
图7是本技术方案进行限流时流经电机的电流波形与未限流直接驱动电机时电流流经电机的电流波形对比示意图；
图8是直接驱动电机上电时的电流与本技术方案限流过电机电机的限流后驱动电机上电时的电流对比示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
本发明实施例，如图3所示，依据图3所示应用于电机(Motor)的限流控制电路对各个单元和元器件进行连接，其中，应用于电机(Motor)的限流控制电路包括：电机(Motor)驱动控制单元100，反相器200，电流感应电阻300，运算放大器400和用于产生使能控制信号的信号发生单元500，其中的连接关系为：
所述电机(Motor)驱动控制单元100分别与电源端(VDD)，所述信号发生单元500，以及所述电流感应电阻300连接；所述反相器200的输出端和输入端分别与所述电机(Motor)驱动控制单元100以及信号发生单元500连接；
所述反相器200的电源输入端与所述运算放大器400的电源输出端连接，所述运算放大器400的正向输入端接入参考电压，所述运算放大器400的反向输入端分别与所述电机(Motor)驱动控制单元100和所述电流感应电阻300连接，所述电流感应电阻300接地。
依据图3所示连接搭建好应用于电机(Motor)的限流控制电路后，所述信号发生单元500生成使能控制信号，控制电机(Motor)驱动控制单元100导通工作，当电流感应电阻300的压降电流值的乘积达到参考电压时，产生负反馈环路，控制流入电机(Motor)的电流保持不变。在负反馈的作用下，使得电机(Motor)上电开启过程中流过电机(Motor)的电流稳定在一个固定的值，该固定值可以由下式(1)估计运算得到：
I＝VREF/R(1)
其中，VREF为参考电压，I为流经电流感应电阻300的电流值，R为电流感应电阻300的电阻值。
本发明通过低阻值电阻检测电机(Motor)驱动电流大小，反馈到运算放大器400输入端并与参考电压做比较，形成负反馈回路，保障电机(Motor)上电过程中的峰值电流保持在固定的值，避免了电机(Motor)在打开的时候产生的极大的峰值电流，对系统电路和电机(Motor)本身的过流损坏，同时降低了系统前级电流驱动能力的要求。负反馈环路可以精确控制通过电机(Motor)的电流大小，且电流限流大小由参考电压与电流感应电阻300决定，具有可配置性。此外，无需限流电阻进行限流减小电机(Motor)上电时的峰值电流，增加电机(Motor)的使用寿命的同时，由于减少限流电阻的限流作用，从而减少能量消耗，提高系统的效率。另外，不需要经过复杂的单片机控制的PWM波形控制，结构简单，芯片集成度高，易于实现。
优选的，如图4所示，所述电机(Motor)驱动控制单元100包括：
电机(Motor)、P型MOS管(PM1)、N型MOS管(NM1)；
所述P型MOS管(PM1)的源极与所述电源端(VDD)连接，所述P型MOS管(PM1)的栅极与所述信号发生单元500连接，所述P型MOS管(PM1)的漏极与所述电机(Motor)的一端连接；
所述电机(Motor)的另一端与所述N型MOS管(NM1)的漏极连接，所述N型MOS管(NM1)的源极与所述电流感应电阻300连接，所述N型MOS管(NM1)的栅极与所述反相器200的输出端连接；
所述反相器200为低电平有效的带使能控制端的反相器200。
此时，控制信号发生单元500输入低电平的使能控制信号。
具体的，由于信号发生单元500输入低电平的使能控制信号，使得P型MOS管(PM1)导通，而低电平的使能控制信号经过反相器200后变成高电平，从而使得N型MOS管(NM1)导通，导致P型MOS管(PM1)、N型MOS管(NM1)导通之间的线路为连通的状态，从而使得位于P型MOS管(PM1)、N型MOS管(NM1)导通之间的电机(Motor)开始上电开启，在电机(Motor)上电开启的短时间内，由于电机(Motor)内阻极小，从而使得流过P型MOS管(PM1)、N型MOS管(NM1)和电流感应电阻300的电流急剧增加，当电流流经电流感应电阻300后的IR压降接近参考电压时，由于运算放大器400产生的负反馈环路，限制了N型MOS管(NM1)的栅端的电压，从而使得流过电机(Motor)的电流稳定在一个固定的值，该固定值可以由下式(1)估计运算得到：
I＝VREF/R(1)
其中，VREF为参考电压，I为流经电流感应电阻300的电流值，R为电流感应电阻300的电阻值。
随着经过限流后的电流持续的流过电机(Motor)，电机(Motor)输出转速越来越快，电机(Motor)呈现出来的阻抗越来越大，需要的驱动电流要求越来越小，当电流感应电阻300的IR压降小于VREF参考电压值时，在负反馈的作用下，N型MOS管(NM1)的栅端电压被持续升高，直到接近电源端(VDD)的电源电压，此时整个电机(Motor)开启完毕，P型MOS管(PM1)、N型MOS管(NM1)都处在正常导通状态。整个过程中，N型MOS管(NM1)电压波形和流过电机(Motor)的电流波形示意图如图7所示。而本技术方案进行限流时流经电机(Motor)的电流波形与未限流直接驱动电机(Motor)时电流流经电机(Motor)的电流波形对比示意图如图7中所示，从图8可看出直接驱动电机(Motor)上电时的峰值电流超过1A，而经过本技术方案限流过后，电机(Motor)峰值电流稳定在2倍额定电流左右。最终，当电机(Motor)进入额定工作状态时，本技术方案中电机(Motor)工作时的功率与直接驱动电机(Motor)工作时的功率均为额定功率。
优选的，所述电机(Motor)驱动控制单元100还包括：
电机(Motor)、P型MOS管、N型MOS管(NM1)；
所述N型MOS管(NM1)的漏极与所述电源端(VDD)连接，所述N型MOS管(NM1)的栅极与所述信号发生单元连接，所述N型MOS管(NM1)的源极与所述电机(Motor)的一端连接；
所述电机(Motor)的另一端与所述P型MOS管(PM1)的源极连接，所述P型MOS管(PM1)的漏极与所述电流感应电阻300连接，所述P型MOS管(PM1)的栅极与所述反相器200的输出端连接；
所述反相器200为高电平有效的带使能控制端的反相器200。
此时，控制信号发生单元500输入高电平的使能控制信号。
具体的，由于信号发生单元500输入高电平的使能控制信号，使得N型MOS管(NM1)导通，而高电平的使能控制信号经过反相器200后变成低电平，从而使得P型MOS管(PM1)导通，P型MOS管(PM1)、N型MOS管(NM1)导通，导致P型MOS管(PM1)、N型MOS管(NM1)导通之间的线路为连通的状态，从而使得位于P型MOS管(PM1)、N型MOS管(NM1)导通之间的电机(Motor)开始上电开启，在电机(Motor)上电开启的短时间内，由于电机(Motor)内阻极小，从而使得流过P型MOS管(PM1)、N型MOS管(NM1)和电流感应电阻300的电流急剧增加，当电流流经电流感应电阻300后的IR压降接近参考电压时，由于运算放大器400产生的负反馈环路，限制了P型MOS管(PM1)的栅端的电压，从而使得流过电机(Motor)的电流稳定在一个固定的值，该固定值可以由下式(1)估计运算得到：
I＝VREF/R(1)
其中，VREF为参考电压，I为流经电流感应电阻300的电流值，R为电流感应电阻300的电阻值。
随着经过限流后的电流持续的流过电机(Motor)，电机(Motor)输出转速越来越快，电机(Motor)呈现出来的阻抗越来越大，需要的驱动电流要求越来越小，当电流感应电阻300的IR压降小于VREF参考电压值时，在负反馈的作用下，P型MOS管(PM1)的栅端电压被持续升高，直到接近电源端(VDD)的电源电压，此时整个电机(Motor)开启完毕，P型MOS管(PM1)、N型MOS管(NM1)都处在正常导通状态。
优选的，所述运算放大器400为单级运算放大器400；所述单级运算放大器400包括：八个MOS管；
如图6所示，第七MOS管(M7)和第八MOS管(M8)共栅极，第七MOS管(M7)的源极为所述正向输入端，第八MOS管(M8)的源极为所述反向输入端；
电流输入端分别与第一MOS管(M1)、第二MOS管(M2)的源极连接，第一MOS管(M1)与第三MOS管(M3)共漏极，第二MOS管(M2)与第四MOS管(M4)共漏极，第五MOS管(M5)与第三MOS管(M3)共栅极，第六MOS管(M6)与第四MOS管(M4)共栅极；
第五MOS管(M5)与第七MOS管(M7)共漏极，第六MOS管(M6)与第八MOS管(M8)共漏极；第三MOS管(M3)，第四MOS管(M4)，第五MOS管(M5)，第六MOS管(M6)的源极分别接地；
其中，第一MOS管(M1)，第二MOS管(M2)，第七MOS管(M7)，第八MOS管(M8)均为P型MOS管，第三MOS管(M3)，第四MOS管(M4)，第五MOS管(M5)，第六MOS管(M6)均为N型MOS管。
本技术方运用运算放大器400，反相器200，电流感应电阻300与P型MOS管(PM1)，N型MOS管(NM1)形成负反馈回路，限制流经电机(Motor)的电流大小，避免了电机(Motor)在打开的时候产生的极大的峰值电流，对系统电路和电机(Motor)本身的过流损坏，同时降低了系统前级电流驱动能力的要求。通过负反馈环路可以精确控制通过电机(Motor)的电流大小，且电流限流大小由参考电压与电流感应电阻300决定，具有可配置性。由于电流感应电阻300的电阻阻值极小，电机(Motor)在额定工作状态下几乎不损耗系统的工作效率，降低额外能耗。无需限流电阻进行限流减小电机(Motor)上电时的峰值电流，增加电机(Motor)的使用寿命的同时，由于减少限流电阻的限流作用，从而减少能量消耗，提高系统的效率。不需要经过复杂的单片机控制的PWM波形控制，结构简单，芯片集成度高，易于实现。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种应用于电机的限流控制电路，其特征在于，包括：
电机驱动控制单元，反相器，电流感应电阻，运算放大器和用于产生使能控制信号的信号发生单元；
所述电机驱动控制单元分别与电源端，所述信号发生单元，以及所述电流感应电阻连接；所述反相器的输出端和输入端分别与所述电机驱动控制单元以及信号发生单元连接；
所述反相器的电源输入端与所述运算放大器的电源输出端连接，所述运算放大器的正向输入端接入参考电压，所述运算放大器的反向输入端分别与所述电机驱动控制单元和所述电流感应电阻连接，所述电流感应电阻接地。
2.根据权利要求1所述的应用于电机的限流控制电路，其特征在于，所述电机驱动控制单元包括：
电机、P型MOS管、N型MOS管；
所述P型MOS管的源极与所述电源端连接，所述P型MOS管的栅极与所述信号发生单元连接，所述P型MOS管的漏极与所述电机的一端连接；
所述电机的另一端与所述N型MOS管的漏极连接，所述N型MOS管的源极与所述电流感应电阻连接，所述N型MOS管的栅极与所述反相器的输出端连接；
所述反相器为低电平有效的带使能控制端的反相器。
3.根据权利要求1所述的应用于电机的限流控制电路，其特征在于，所述电机驱动控制单元还包括：
电机、P型MOS管、N型MOS管；
所述N型MOS管的漏极与所述电源端连接，所述N型MOS管的栅极与所述信号发生单元连接，所述N型MOS管的源极与所述电机的一端连接；
所述电机的另一端与所述P型MOS管的源极连接，所述P型MOS管的漏极与所述电流感应电阻连接，所述P型MOS管的栅极与所述反相器的输出端连接；
所述反相器为高电平有效的带使能控制端的反相器。
4.根据权利要求1所述的应用于电机的限流控制电路，其特征在于，所述运算放大器为单级运算放大器；所述单级运算放大器包括：八个MOS管；
第七MOS管和第八MOS管共栅极，第七MOS管的源极为所述正向输入端，第八MOS管的源极为所述反向输入端；
电流输入端分别与第一MOS管、第二MOS管的源极连接，第一MOS管与第三MOS管共漏极，第二MOS管与第四MOS管共漏极，第五MOS管与第三MOS管共栅极，第六MOS管与第四MOS管共栅极；
第五MOS管与第七MOS管共漏极，第六MOS管与第八MOS管共漏极；第三MOS管，第四MOS管，第五MOS管，第六MOS管的源极分别接地；
其中，第一MOS管，第二MOS管，第七MOS管，第八MOS管均为P型MOS管，第三MOS管，第四MOS管，第五MOS管，第六MOS管均为N型MOS管。
5.根据权利要求1所述的应用于电机的限流控制电路，其特征在于，所述运算放大器为两级及两级以上的运算放大器。
6.一种应用于电机的限流控制方法，其特征在于，包括步骤：
搭建应用于电机的限流控制电路，应用于电机的限流控制电路具体包括：电机驱动控制单元，反相器，电流感应电阻，运算放大器和用于产生使能控制信号的信号发生单元；电机驱动控制单元分别与电源端，信号发生单元，以及电流感应电阻连接；反相器的输出端和输入端分别与所述电机驱动控制单元以及信号发生单元连接；所述反相器的电源输入端与所述运算放大器的电源输出端连接，所述运算放大器的正向输入端接入参考电压，所述运算放大器的反向输入端分别与所述电机驱动控制单元和所述电流感应电阻连接，所述电流感应电阻接地；
所述信号发生单元生成使能控制信号，控制所述电机驱动控制单元导通工作；
当所述电流感应电阻的压降电流值的乘积达到参考电压时，产生负反馈环路，控制流入所述电机的电流保持不变。
7.根据权利要求6所述的一种应用于电机的限流控制方法，其特征在于，包括步骤：
当所述电机驱动控制单元包括：电机、P型MOS管、N型MOS管，所述反相器为低电平有效的带使能控制端的反相器，且所述P型MOS管的漏极与所述电源端连接，所述P型MOS管的栅极与所述信号发生单元连接，所述P型MOS管的源极与所述电机的一端连接；所述电机的另一端与所述N型MOS管的漏极连接，所述N型MOS管的源极与所述电流感应电阻连接，所述N型MOS管的栅极与所述反相器的输出端连接时，控制所述信号发生单元输入低电平的使能控制信号。
8.根据权利要求6所述的一种应用于电机的限流控制方法，其特征在于，包括步骤：
当所述电机驱动控制单元包括：电机、P型MOS管、N型MOS管，所述反相器为高电平有效的带使能控制端的反相器，且所述N型MOS管的漏极与所述电源端连接，所述N型MOS管的栅极与所述信号发生单元连接，所述N型MOS管的源极与所述电机的一端连接；所述电机的另一端与所述P型MOS管的漏极连接，所述P型MOS管的源极与所述电流感应电阻连接，所述P型MOS管的栅极与所述反相器的输出端连接时，控制所述信号发生单元输入高电平的使能控制信号。
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