CN110690685A - 高精准过流保护电路、方法及电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高精准过流保护电路、方法及电机。电路包括电源VDC、负载、电流采样模块、IPM模块、控制模块和IPM通断电路，电流采样模块连接负载的输入端、IPM模块的输出端、控制模块的第二端口和IPM通断电路的控制端的公共端，控制模块的第一端口连接IPM模块的控制端，IPM通断电路的输入端连接电源，IPM通断电路的输出端连接IPM模块的输入端。当负载过流时，可以及时的关断供电电源与电机驱动电路的连接，同时控制模块接受到过流信号时，发出指令关闭驱动功率器件(IPM模块)，及时使电机停机，通过外围电路的硬开关和控制模块的信号控制器同时起到保护人体安全，并避免功率器件及其他周围电路元器件的损坏。

Description

高精准过流保护电路、方法及电机

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，具体涉及一种高精准过流保护电路、方法及电机。

背景技术

由于无刷直流电机通过功率驱动器件（IPM）驱动，具有效率高，启动转矩大，控制方便等特点，使其应用领域越来越广。对于大功率电机，过流检测尤为重要，因为功率比较大，瞬间过流冲击很大，如若保护不住的话，易击穿器件，对人体造成伤害。

现有的电机过流保护电路（如图1所示）是直接通过电阻AD采样，通过MCU检测其采样电压端电压来控制功率驱动器件（IPM）的通断，从而避免功率器件的损坏；但是并没有断开强电电源与功率驱动器件的连接，在电机停止后驱动器件仍带有高电压，容易造成安全隐患；且电压采样后输入MCU需要经过保护电路，以避免过流时高电流损坏MCU，经过保护电路的采样点压会有一定的损耗，从而影响过流保护电压精度，对电机停机速度有一定影响。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足之处而提供一种高精准过流保护电路、方法及电机，实现高精准的过流检测，及时使电机停机，保护（IPM）不被烧坏，并断开高电压源与电机驱动板的连接，更安全的保护人体安全。

本发明的目的通过以下三个方面实现：

第一方面，本发明提供一种高精准过流保护电路，包括电源VDC、负载，还包括：

电流采样模块：所述电流采样模块连接负载的输入端，采集负载的工作电流，并将采集的工作电流转换为电压信号；

IPM模块：所述IPM模块的输出端连接所述电流采样模块的输入端，用于驱动负载运行；

控制模块：所述控制模块的第一端口连接IPM模块的控制端，所述控制模块的第二端口连接电流采样模块，所述控制模块用于获取负载的电流信号并控制IPM模块使负载运行或停止；

IPM通断电路：所述IPM通断电路的输入端连接电源，所述IPM通断电路的输出端连接所述IPM模块的输入端，所述IPM通断电路的控制端连接控制模块和电流采样模块的公共端，所述IPM通断电路根据负载的电流信号控制IPM模块断开或连接电源，所述IPM通断电路同时可以受控制模块的第二端口控制。

进一步地，所述IPM通断电路包括第一电阻、可控精密稳压源、导通开关和电源VCC，所述导通开关的第一端口连连接所述电源VDC，所述导通开关的第二端口连接所述IPM模块，所述导通开关的第三端口连接所述第一电阻的一端且公共端连接可控精密稳压源的输入端，所述第一电阻的另一端连接所述电源VCC，所述可控精密稳压源的输出端接地，所述可控精密稳压源控制端连接所述电流采样模块且公共端连接所述控制模块的第二端口。

进一步地，所述电流采样模块包括第二电阻和第一电容，所述第二电阻的一端连接所述IPM通断电路的控制端、控制模块第二端口、IPM模块的输出端、负载的输入端、第一电容的一端的公共端，所述第二电阻的另一端连接所述第一电容的另一端且公共端接地。

进一步地，所述导通开关为MOS管或IGBT。

进一步地，所述可控精密稳压源为TL431。

第二方面，本发明提供一种高精准过流保护方法，所述高精准过流保护方法通过第一方面所述的高精准过流保护电路实现。

进一步地，所述高精准过流保护方法包括以下步骤：

S1：电流采样模块获取负载运行的电流信号，并将所述电流信号转换为电压信号；

S2：控制模块获取和IPM通断电路接收所述电压信号；

S3：当负载过流时，控制模块和IPM通断电路使负载和IPM模块断电。

进一步地，所述步骤S3具体包括以下步骤：

S301：当负载过流后，控制模块使电机停止，IPM通断电路使IPM模块断电；

S302：电机停止后，电流采样模块复位，通过控制模块继续使IPM通断电路断开IPM模块和电源VDC的连接。

第三方面，本发明提供一种负载，所述负载包括第一方面所述的高精准过流保护电路。

进一步地，所述负载包括电机。

本发明的有益效果是：本发明通过在一种负载的控制电路中，设计简单的外围电路，从而达到可自行设置电机电流保护点的功能；当负载过流时，可以及时的关断供电电源与电机驱动电路的连接，同时控制模块接受到过流信号时，发出指令关闭驱动功率器件(IPM模块)，及时使电机停机，通过外围电路的硬开关和控制模块的信号控制器同时起到保护人体安全，并避免功率器件及其他周围电路元器件的损坏。

附图说明

利用附图对发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是本发明背景技术中心提到的现有的过流保护电路的电路结构示意图。

图2是本发明的高精准过流保护电路的一个实施例的电路结构示意图。

其中，附图标记如下：10.电流采样模块，20.IPM通断电路。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

在数字电路中，把电压的高低用逻辑电平来表示，逻辑电平包括高电平和低电平这两种。不同的元器件形成的数字电路，电压对应的逻辑电平也不同。逻辑电平通过阈值电平来定义，例如，在在TTL门电路中，把大于3 .5伏(阈值高电平)的电压定义为逻辑高电平，用数字1表示；把小于0.3伏(阈值低电平)的电压定义为逻辑低电平，用数字0表示。

如图2所示，本实施例的一种高精准过流保护电路，包括电源VDC、电机，还包括：

电流采样模块10：电流采样模块10连接电机的输入端，采集电机的工作电流，并将采集的工作电流转换为电压信号；

IPM模块：IPM模块的输出端连接电流采样模块10的输入端，用于驱动电机运行；

控制模块：控制模块在本实施例中包括MCU，MCU的第一端口连接IPM模块的控制端，MCU的第二端口连接电流采样模块10，MCU用于获取电机的电流信号并控制IPM模块使电机运行或停止；

IPM通断电路20：IPM通断电路20的输入端连接电源，IPM通断电路20的输出端连接IPM模块的输入端，IPM通断电路20的控制端连接MCU和电流采样模块10的公共端，IPM通断电路20根据电机的电流信号控制IPM模块断开或连接电源，IPM通断电路20同时可以受MCU的第二端口控制。

在本实施例中，IPM通断电路20包括电阻R1、可控精密稳压源、导通开关和电源VCC，其中，可控精密稳压源具体为TL431，导通开关具体为MOS管，MOS管的第一端口连连接电源VDC，MOS管的第二端口连接IPM模块，MOS管的第三端口连接电阻R1的一端且公共端连接TL431的输入端，电阻R1的另一端连接电源VCC，TL431的输出端接地，TL431的控制端连接电流采样模块10且公共端连接MCU的第二端口。

电流采样模块10包括电阻R2和电阻C1，电阻R2的一端连接TL431的控制端、MCU的第二端口、IPM模块的输出端、电机的输入端、电阻C1的一端的公共端，电阻R2的另一端连接电阻C1的另一端且公共端接地。

电流采样模块10通过电阻R2连接至电机绕组，当电机绕组不过流时，电机绕组电流经过电阻R2流向信号地，和电流采样模块10连接的MCU第二端口和TL431的控制端可以获得一个电压信号V，电压信号V＝电机绕组电流I*电阻R2的阻值，从而将电机的电流信号转换为电压信号输送至MCU和IPM通断电路20；通过电容C1充电缓冲，避免启动和关闭的瞬间冲击。

TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源，当工作在开环模式时(即REF管脚不与CATHODE管脚连接)，可以作为比较器使用，其中内部提供2.5V高精度参考电压Vref，精度0.4％、等效全范围温度系数50ppm/℃。

正是利用TL431的这些特性，本电路提供了对正向阈值电压的精确设定。在本实施例的电路工作的过程中，当TL431的输入端大于2.5V参考电压Vref时，TL431导通；当当TL431的输入端小于2.5V参考电压Vref时，TL431截止。

IPM通断电路20通过TL431的控制端获取电流采样模块10的采集到的电机绕组电流，本实施例的电机过流电流为A，则电阻R2的阻值=2.5/A，可以通过选择不同的阻值的电阻R2以适应不同过流电流的电机。

在电机不过流时（即实际电流小于A），TL431控制端接收的电压小于2.5V，TL431截止，电源VCC为MOS管的栅极提供开通电压，MOS管导通，VDC电压直接加到IPM模块上，IPM可正常给电机供电，电机正常运行。

当电机VDC端电压突然升高或者发生电路短路时，电机绕组就会通过很大的电流，电阻绕组电流会通过电阻R2，此时电阻R2的端电压因绕组电流过大会迅速的增大，当电流值达到设置的过流点A时，R2的端电压就会达到设置的保护值，MUC接受到过流保护信号，然后发出信号关断IPM模块，从而使电机停机。此时TL431的输入端接受到R2上的电压达到2.5V后，TL431导通，使得MOS管的栅极电压为0V，此时MOS管快速关断，隔离了VDC与IPM的连接，从而使电机驱动板与电源隔开。由于电机关停会使电流采样模块10无法再采集到电流信号，TL431的控制端会变成0电压而使TL431截止，从而恢复MOS的导通，又会使IPM模块带电；所以在关闭电机后，MCU需要在第二端口输出高电平，以保持TL431导通，避免IPM模块带电，复位启动后MCU将第二端口复位为低电平。

MOS管在本实施例的作用在于，当TL431截止时使IPM模块连接电源VDC，TL431导通时断开IPM和电源模块的连接，同样可以实现该目的的元件还有IGBT、三极管、继电器等，需要说明的是，所有使用该原理实现IPM模块和电源的通断的方法和元件都应该属于本发明的保护范围。

在本实施例中，MCU第二端口在电机不过流时和复位后为低电平，当电机过流时，通过连接在MCU第二端口和电阻R2之间的外围电路，当电阻R2达到2.5V时，MCU第二端口可以接受到一个高电平，MCU第二端口接收到高电平后，MCU即判定电机过流，关闭IPM模块停止电机，并在第二端口输出高电平保持TL431的导通；由于MCU第二端口和电阻R2之间的外围电路不是本发明的发明点，且是本领域技术人员可以理解的现有技术，因此，本实施例不对该外围电路进行详细说明。

通过本实施例的高精准过流保护电路实现的高精准过流保护方法，具体步骤如下：

S1：电流采样模块10获取电机运行的电流信号，并将电流信号转换为电压信号；

S2：MCU获取和IPM通断电路20接收所述电压信号；

S3：当电机过流时，控制模块和IPM通断电路20使电机和IPM模块断电。

其中，步骤S3具体包括以下步骤：

S301：当电机过流后，MCU关闭IPM模块使电机停止，IPM通断电路20使IPM模块断开和电源的连接；

S302：电机停止后，电流采样模块10复位，通过MCU继续使IPM通断电路20断开IPM模块和电源VDC的连接。

通过上述方法使电机过流时，停止电机运行并让IPM模块与电源VDC隔开，保证人体安全并避免功率器件及其他周围电路元器件的损坏。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种高精准过流保护电路，包括电源VDC和负载，其特征在于，还包括

电流采样模块：所述电流采样模块连接所述负载的输入端，采集负载的工作电流，并将采集的工作电流转换为电压信号；

IPM模块：所述IPM模块的输出端连接所述电流采样模块的输入端，用于驱动所述负载运行；

控制模块：所述控制模块的第一端口连接所述IPM模块的控制端，所述控制模块的第二端口连接所述电流采样模块，所述控制模块用于获取负载的电流信号并控制所述IPM模块使所述负载运行或停止；

IPM通断电路：所述IPM通断电路的输入端连接电源，所述IPM通断电路的输出端连接所述IPM模块的输入端，所述IPM通断电路的控制端连接所述控制模块和所述电流采样模块的公共端，所述IPM通断电路根据所述负载的电流信号控制IPM模块断开或连接所述电源VDC，所述IPM通断电路同时可以受所述控制模块的第二端口控制。

2.如权利要求1所述的一种高精准过流保护电路，其特征在于，所述IPM通断电路包括第一电阻、可控精密稳压源、导通开关和电源VCC，所述导通开关的第一端口连连接所述电源VDC，所述导通开关的第二端口连接所述IPM模块，所述导通开关的第三端口连接所述第一电阻的一端且公共端连接可控精密稳压源的输入端，所述第一电阻的另一端连接所述电源VCC，所述可控精密稳压源的输出端接地，所述可控精密稳压源控制端连接所述电流采样模块且公共端连接所述控制模块的第二端口。

3.如权利要求1所述的一种高精准过流保护电路，其特征在于，所述电流采样模块包括第二电阻和第一电容，所述第二电阻的一端连接所述IPM通断电路的控制端、控制模块第二端口、IPM模块的输出端、负载的输入端、第一电容的一端的公共端，所述第二电阻的另一端连接所述第一电容的另一端且公共端接地。

4.如权利要求2所述的一种高精准过流保护电路，其特征在于，所述导通开关为MOS管或IGBT。

5.如权利要求2所述的一种高精准过流保护电路，其特征在于，所述可控精密稳压源为TL431。

6.一种高精准过流保护方法，其特征在于，所述高精准过流保护方法通过权利要求1至5任意一项所述的电路实现。

7.如权利要求6所述的一种高精准过流保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：电流采样模块获取负载运行的电流信号，并将所述电流信号转换为电压信号；

S2：控制模块获取和IPM通断电路接收所述电压信号；

S3：当负载过流时，控制模块和IPM通断电路使负载和IPM模块断电。

8.如权利要求7所述的一种高精准过流保护方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下步骤：

S301：当负载过流后，控制模块使电机停止，IPM通断电路使IPM模块断电；

S302：电机停止后，电流采样模块复位，通过控制模块继续使IPM通断电路断开IPM模块和电源VDC的连接。

9.一种负载，其特征在于，所述负载包括权利要求1至5任意一项所述的高精准过流保护电路。

10.如权利要求9所述的一种负载，其特征在于，所述负载包括电机。

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