CN111262501A - 一种微型直流电机过流保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微型直流电机过流保护电路，包括：电源模块、直流电机、采样电路、延时电路、电压放大电路、电源反馈控制电路；其中电源模块输出端连接直流电机为其提供电能，直流电机的输出端依次串接采样电路、延时电路、电压放大电路，电源模块的输出端和电压放大电路的输出端均连接电源反馈控制电路的输入端，电源反馈控制电路的输出反馈给电源模块；所述电源反馈控制电路根据电压放大电路和电源模块输出的电压，控制电源模块以调整输出至直流电机的电压的大小。本发明通过电源反馈控制电路来调整电源模块的输出电压，从而实现电源模块输出电压自动调整的过流保护策略，具有响应速度快，故障率低，限流值可调以及电机工作连贯性好的特点。

Description

一种微型直流电机过流保护电路

技术领域

本发明涉及电路设计技术领域，尤其涉及一种微型直流电机过流保护电路。

背景技术

微型有刷直流电机应用广泛，在应用中，如果电机过载甚至堵转时，会出现较大的工作电流，如果电机在超出额定工作电流的电流下长时间运行，电流的热效应容易破坏定子绕组的绝缘，甚至会使绕组过热烧坏。

目前直流电机的过流保护的方案大多是采用微控制器的软件控制对电机进行保护，在检测到过流信号时，对电机驱动电路进行电源关断来实现保护的功能。当采用上述方案时存在以下问题：1、响应速度慢，由于要需要微控制器参与检测和控制，需要一定的反应时间，而且一旦微控制器的程序出现BUG或重启时，电路保护功能失效；2、电机工作可连贯性差，在电机过载恢复后，电机需要在电源重启之后才能继续运行，影响电机工作的连贯性。

如何设计一种直流电机过流保护电路，这种电路既能不依赖微控制器的软件控制即可在电机过流或堵转时快速地启动保护功能，又能使电机在重载或堵转解除后快速地恢复正常运行成为亟待解决的难题。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供一种微型直流电机过流保护电路，用以解决现有方法在电机过载时依赖微控制器参与检测与控制，响应速度慢、故障率高以及在电机重载或堵转解除后无法快速恢复正常运行，工作连贯性差的技术问题。

具体方案如下：

一种微型直流电机过流保护电路，包括：电源模块、直流电机、采样电路、延时电路、电压放大电路、电源反馈控制电路；其中电源模块输出端连接直流电机为其提供电能，直流电机的输出端依次串接采样电路、延时电路、电压放大电路，电源模块的输出端和电压放大电路的输出端均连接电源反馈控制电路的输入端，电源反馈控制电路的输出反馈给电源模块；所述延时电路和电压放大电路用于对采样电路输出的电压进行延时和放大；所述电源反馈控制电路根据电压放大电路和电源模块输出的电压，控制电源模块以调整输出至直流电机的电压的大小。

进一步的，所述电源模块为BUCK型DC/DC电源模块，其包括一反馈输入端FB。

进一步的，还包括一电阻分压电路，所述电源模块的输出端通过一电阻分压电路输出至所述反馈输入端FB。

进一步的，所述电阻分压电路包括电阻R1和R3，所述电源模块的输出端依次串接电阻R1和R3后接地，其反馈输入端FB连接于电阻R1和R3之间。

进一步的，所述电源反馈控制电路包括电阻R2、R4、R7、R8和三极管Q1、Q2，其中：三极管Q2的基极通过电阻R8与电压放大电路的输出端连接，发射极接地，集电极串接电阻R7后与三极管Q1的基极连接，三极管Q1的发射极连接电源模块的输出端，集电极串接电阻R2后连接电源模块的反馈输入端FB，电阻R4一端连接三极管Q1的发射极，另一端连接三极管Q1的基极。

进一步的，电阻R2的取值符合下列条件：

其中，V_FBm为电源模块反馈输入端FB的最大允许输入电压，VCC_M为直流电机输入电压。

进一步的，所述电压放大电路包括电阻R10，可调电阻VR1，运算放大器U2，其中：运算放大器U2的同相输入端与延时电路的输出端连接，其反相输入端串接电阻R10后接地，其输出端连接电源反馈控制电路的输入端，可调电阻VR1设置于运算放大器U2的反相输入端和输出端之间。

进一步的，所述采样电路为采样电阻R6，其取值范围为0.1Ω～0.2Ω。

进一步的，所述延时电路包括电阻R5和电容C6，其中：电阻R5的一端连接于直流电机和采样电路之间，另一端连接于电压放大电路的输入端，电容C6一端连接于电压放大电路的输入端，另一端接地。

进一步的，电阻R5和电容C6的取值符合下列条件：

电容C6的充电时间Tc大于直流电机的启动时间Ts，即：

其中，Is为直流电机的启动电流，

Vo’的量测方法为：

(1)将直流电机从电路中断开，在其两端接入测试电阻，设定测试电阻的阻值为VCC_M/I_L－R6，其中，VCC_M为直流电机输入电压，I_L为直流电机的参考限流值；

(2)调节可调电阻VR1，先将VR1的阻值调到最低，然后逐渐调高VR1的阻值，观察VCC_M的电压，将VCC_M的电压开始低于设定值时，运算放大器U2的输出端的电压设为Vo’，所述设定值为VCC_M＝Vref*(1+R1/R3)。

本发明采用如上技术方案，采用电源反馈控制电路来调整电源模块的输出电压，从而实现电源模块输出电压自动调整的过流保护策略，相对于传统电机过流保护方案利用微控制器或过流检测电路在检测到过流信号时直接切断电机电源的保护策略，具有响应速度快，故障率低，限流值可调以及电机工作连贯性好的特点。

附图说明

图1所示为本发明实施例的结果示意图。

图2所示为本发明实施例的电路图。

图3所示为本发明实施例中电机启动瞬时响应的示意图。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

参考图1所示，本发明提供了一种微型直流电机过流保护电路，包括：DC/DC模块、采样电阻、延时电路、电压放大电路、电源反馈电阻通路控制电路。

该电路的工作原理为：当电机过流或堵转时，电流环路中的采样电阻上的电压增加，该电压经延时电路和电压放大电路进行延时和放大后，控制电源反馈电阻通路控制电路来调整反馈DC/DC模块的反馈输入端FB处的电压，使DC/DC的输出电压降低，电机工作电流随之降低，当电流降至限定值时，电路达到一个平衡状态。此时，DC/DC的输出将持续维持在一个低压状态，保护电机不会因为电流的热效应而烧坏。当电机重载或堵转解除后，由于DC/DC的输出电压驱动电机恢复转动，流过采样电阻的电流减小，电路保护功能解除，DC/DC的输出将恢复设定电压值。

具体的电路设计如图2所示：U1为BUCK型的DC/DC，R6为采样电阻；R5与C6组成RC延时电路；运放U2对滤波后的采样电压进行正比例放大；R2、R4、R7、R8、Q1、Q2组成电源反馈电阻通路控制电路，用来调整DC/DC反馈输入端FB与电压输出端VCC_M之间的分压电阻值。其中，在电路增加R2是为了避免Q1在导通时，FB引脚处的电压超过最大允许反馈输入电压值。

结合上面介绍的具体结构，说明电机的过流保护的原理：

a、当电机在限流值以内工作时，采样电阻R6上的电压较小，该电压经过运放U2放大后仍无法驱动Q2导通，Q2截止，Q1也呈截止状态，DC/DC的电源输出VCC_M为设定值，即VCC_M＝Vref*(1+R1/R3)(Vref为基准参考电压)。

b、当电机过载和堵转时，工作电流增大，尤其是堵转时的工作电流可达到额定电流的5～12倍，故采样电阻R6上的电压经延时和运放U2放大后的数值大于Q2的导通电压VBE(on)，由于R8阻值较小，Q2将进入深度饱和的导通状态，VCC_M经R4、R7和Q2的C、E极流入电源地，R4上的压降使Q1导通，Q1集电极和发射极间的电阻Rce处于一个低阻抗的状态。假设Rce、R2串联后再与R1并联的阻值为R1’，则DC/DC输出电压VCC_M＝Vref*(1+R1’/R3)<Vref*(1+R1/R3)，因此VCC_M变小，使流过R6的电流变小，当电流降至限定值时，电路达到一个平衡状态，VCC_M将持续维持在一个低压状态。根据电流发热功率公式P＝U²/R＝VCC_M²/R可知，在VCC_M较小的情况下，电机不会因为电流的热效应而烧坏，从而实现电机保护功能。

c、当电机的重载或堵转解除时，由于VCC_M驱动电机恢复转动，经过采样电阻R6的电流变小，低于过流保护电路的限流值，过流保护动作解除，VCC_M恢复设定值，电机恢复正常工作。

需要注意的是，为了避免采样电阻R6过大对直流有刷电机的电流产生显著的影响，R6取0.1～0.2Ω之间的精密电阻较合适。在R10值固定的情况下，通过VR1的调整来改变保护电路的电流限值。

下面介绍电路的相关元器件参数设定过程：

(1)保护电路限流值I_L的设定方法

在电路中断开电机M，在电路的A、B两点接入一个测试电阻Rc，阻值为(VCC_M/I_L－R6)，其中I_L为电机M的参考限流值。调节可调电阻VR1，先将VR1的阻值调到最低，然后逐渐调高VR1阻值，观察VCC_M的电压变化。开始调节VR1时，VCC_M保持恒定，缓慢地调高VR1直至找到一个临界点：在该点处继续调高VR1时，VCC_M开始略微下降。此时，停止调节VR1，并用万用表测量U2输出引脚1处的电压Vo’(用于计算R5、R6取值范围)，设定完成。

(2)R5、C6的取值

由于电机的启动电流很大，一般是额定电流的4～7倍，为了避免保护电路在电机启动的瞬间产生过流保护的误动作，必须让C6的充电时间Tc大于启动时间Ts。

假设电机的启动电流为Is，则由图2可得以下公式：

由于R5>>R6，故Is≈I_R6，U_R6≈Is·R6，此时为一阶零状态响应，求解得：

从保护电路限流值I_L的设定过程可知：C6充电到Vo’/(1+VR1/R10)时，电路开始进行过流保护的动作。设C6的充电时间为Tc，由2.2式可得：

因此为了保证电机在启动时不触发过流保护动作，R5、C6应满足2.3式的条件。

Vo’的量测方法为：

a、将直流电机从电路中断开，在其两端接入测试电阻，设定测试电阻的阻值为VCC_M/I_L－R6，其中，VCC_M为直流电机输入电压，I_L为直流电机的参考限流值；

b、调节可调电阻VR1，先将VR1的阻值调到最低，然后逐渐调高VR1的阻值，观察VCC_M的电压，将VCC_M的电压开始低于设定值时，运算放大器U2的输出端的电压设为Vo’，所述设定值为VCC_M＝Vref*(1+R1/R3)。

(3)R2的取值

假设FB引脚处的电压为V_FB，Q1完全导通时，若忽略Q1的集电极C和发射极E之间的导通电阻，由图3可知：

V_FB＝VCC_M·R3/(R1’+R3)

其中，R1’为R1与R2的并联电阻，即R1’＝R1·R2/(R1+R2)。

从DC/DC的规格书可查到FB引脚的最大允许输入电压V_FBm，由V_FB≤V_FBm可得：

为了保证DC/DC芯片在V_FB调整时不会损坏，R2需满足3.1式的条件。

应用案例：负载电流为200mA，堵转电流为1.18A的12V直流有刷电机的过流保护中，将R6、VR1、R10的值分别设置为0.1Ω、51KΩ，1KΩ，将保护电路的限流值设置在200mA，保证电机的工作电流不超过200mA；当电机堵转时，测得DC/DC的输出电压钳制在3V左右。根据电流发热功率公式计算出电机发热功耗P＝U²/R≈3²/(12/1.18)＝0.885W，因此电机不会因为过热而烧坏。

本发明实施例采用电源反馈控制电路来调整电源模块的输出电压，从而实现电源模块输出电压自动调整的过流保护策略，相对于传统电机过流保护方案利用微控制器或过流检测电路在检测到过流信号时直接切断电机电源的保护策略，具有响应速度快，故障率低，限流值可调以及电机工作连贯性好的特点。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种微型直流电机过流保护电路，其特征在于，包括：电源模块、直流电机、采样电路、延时电路、电压放大电路、电源反馈控制电路；

其中电源模块输出端连接直流电机为其提供电能，直流电机的输出端依次串接采样电路、延时电路、电压放大电路，电源模块的输出端和电压放大电路的输出端均连接电源反馈控制电路的输入端，电源反馈控制电路的输出反馈给电源模块；

所述延时电路和电压放大电路用于对采样电路输出的电压进行延时和放大；

所述电源反馈控制电路根据电压放大电路和电源模块输出的电压，控制电源模块以调整输出至直流电机的电压的大小。

2.根据权利要求1所述的微型直流电机过流保护电路，其特征在于：所述电源模块为BUCK型DC/DC电源模块，其包括一反馈输入端FB。

3.根据权利要求2所述的微型直流电机过流保护电路，其特征在于：还包括一电阻分压电路，所述电源模块的输出端通过一电阻分压电路输出至所述反馈输入端FB。

4.根据权利要求3所述的微型直流电机过流保护电路，其特征在于：所述电阻分压电路包括电阻R1和R3，所述电源模块的输出端依次串接电阻R1和R3后接地，其反馈输入端FB连接于电阻R1和R3之间。

5.根据权利要求4所述的微型直流电机过流保护电路，其特征在于：所述电源反馈控制电路包括电阻R2、R4、R7、R8和三极管Q1、Q2，其中：三极管Q2的基极通过电阻R8与电压放大电路的输出端连接，发射极接地，集电极串接电阻R7后与三极管Q1的基极连接，三极管Q1的发射极连接电源模块的输出端，集电极串接电阻R2后连接电源模块的反馈输入端FB，电阻R4一端连接三极管Q1的发射极，另一端连接三极管Q1的基极。

6.根据权利要求5所述的微型直流电机过流保护电路，其特征在于：电阻R2的取值符合下列条件：

其中，V_FBm为电源模块反馈输入端FB的最大允许输入电压，VCC_M为直流电机输入电压。

7.根据权利要求1所述的微型直流电机过流保护电路，其特征在于：所述电压放大电路包括电阻R10，可调电阻VR1，运算放大器U2，其中：运算放大器U2的同相输入端与延时电路的输出端连接，其反相输入端串接电阻R10后接地，其输出端连接电源反馈控制电路的输入端，可调电阻VR1设置于运算放大器U2的反相输入端和输出端之间。

8.根据权利要求7所述的微型直流电机过流保护电路，其特征在于：所述采样电路为采样电阻R6，其取值范围为0.1Ω～0.2Ω。

9.根据权利要求8所述的微型直流电机过流保护电路，其特征在于：所述延时电路包括电阻R5和电容C6，其中：电阻R5的一端连接于直流电机和采样电路之间，另一端连接于电压放大电路的输入端，电容C6一端连接于电压放大电路的输入端，另一端接地。

10.据权利要求9所述的微型直流电机过流保护电路，其特征在于：电阻R5和电容C6的取值符合下列条件：

电容C6的充电时间Tc大于直流电机的启动时间Ts，即：

其中，Is为直流电机的启动电流，

Vo’的量测方法为：

(1)将直流电机从电路中断开，在其两端接入测试电阻，设定测试电阻的阻值为VCC_M/I_L－R6，其中，VCC_M为直流电机输入电压，I_L为直流电机的参考限流值；

(2)调节可调电阻VR1，先将VR1的阻值调到最低，然后逐渐调高VR1的阻值，观察VCC_M的电压，将VCC_M的电压开始低于设定值时，运算放大器U2的输出端的电压设为Vo’，所述设定值为VCC_M＝Vref*(1+R1/R3)。

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