CN111342421A - 一种硬件保护电路、方法及用电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种硬件保护电路、方法及用电系统。其中，该硬件保护电路包括：控制芯片和运算放大器；运算放大器包括同相输入端、反相输入端和输出端，反相输入端作为硬件保护电路的输入，输出端作为硬件保护电路的输出；控制芯片包括：第一采样模块，连接至同相输入端，用于获取第一采样值；信号生成模块，连接至第一采样模块和同相输入端，用于根据预设参考值与第一采样值生成预设信号并输出至同相输入端。本发明通过控制芯片设定保护值，精度高；对于不同待保护电路，通过更改预设参考值即可产生不同的保护值，无需更改硬件，通用性好；利用第一采样模块形成保护值的闭环反馈控制，保证保护值设定的准确稳定。

Description

一种硬件保护电路、方法及用电系统

技术领域

本发明涉及电路技术领域，具体而言，涉及一种硬件保护电路、方法及用电系统。

背景技术

在电力电子控制系统中，须有各种保护电路。比如在压缩机或电机控制系统中需要有电流、电压等基于硬件的保护电路。

如图1所示，为常规的硬件保护电路，由电阻R5、R6分压设置参考电压(即运算放大器同相输入端的值，也称为保护值)，检测的实际电压Input作为输入侧电压基值通过运算放大器反相输入端输入，当输入电压Input大于参考电压时，则运算放大器输出电平跳变，触发保护。

上述硬件保护电路存在以下缺陷：精度低，例如电源电压发生波动导致分压结果变化，改变了保护值，影响保护效果；通用性差，保护值由电阻分压设置，针对不同功率等级的电路板或同一驱动板适配不同压缩机或电机，保护值的设定都要更换分压电阻。

针对现有技术中硬件保护电路精度低、通用性差的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明实施例提供一种硬件保护电路、方法及用电系统设备，以解决现有技术中硬件保护电路精度低、通用性差的问题。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种硬件保护电路，其特征在于，包括：控制芯片和运算放大器；

所述运算放大器包括同相输入端、反相输入端和输出端，所述反相输入端作为所述硬件保护电路的输入，所述输出端作为所述硬件保护电路的输出；

所述控制芯片包括第一采样模块和信号生成模块；

所述第一采样模块连接至所述同相输入端，用于获取第一采样值；

所述信号生成模块，连接至所述第一采样模块和所述同相输入端，用于根据预设参考值与所述第一采样值生成预设信号，并向所述同相输入端输出所述预设信号以实现保护值的设定。

可选的，所述信号生成模块包括：

运算器，连接至所述第一采样模块，用于计算所述预设参考值与所述第一采样值的差值；

PI控制器，连接至所述运算器，用于对所述差值进行比例积分控制，得到输出结果；

信号发生器，连接至所述PI控制器和所述同相输入端之间，用于根据所述输出结果生成脉冲宽度调制PWM信号并输出至所述同相输入端。

可选的，所述信号生成模块还包括：比例放大器，连接至所述第一采样模块与所述运算器之间，用于对所述第一采样值进行比例调整。

可选的，所述信号生成模块通过第一电阻连接至所述同相输入端，所述第一电阻与所述同相输入端连接的一端通过第一电容接地。

可选的，所述反相输入端通过第二电阻连接至检测信号端，所述第二电阻与所述反相输入端连接的一端通过第二电容接地。

可选的，所述控制芯片还包括：第二采样模块，连接至所述反相输入端，用于当所述输出端电平跳变时，获取第二采样值；存储模块，连接至所述第二采样模块，用于存储所述第二采样值。

可选的，所述反相输入端还通过相串联的第三电阻和第四电阻接地；所述控制芯片还包括：第三采样模块，连接至所述第三电阻与所述第四电阻的连接点，用于当所述第二采样值大于等于预设阈值时，获取第三采样值；所述存储模块，还连接至所述第三采样模块，用于存储所述第三采样值。

本发明实施例还提供了一种用电系统，包括：本发明实施例所述的硬件保护电路。

本发明实施例还提供了一种硬件保护方法，基于本发明实施例所述的硬件保护电路实现，所述方法包括：从运算放大器的同相输入端获取第一采样值；根据预设参考值与所述第一采样值生成预设信号；向运算放大器的同相输入端输出所述预设信号，以实现保护值的设定。

可选的，根据预设参考值与所述第一采样值生成预设信号，包括：计算所述预设参考值与所述第一采样值的差值；对所述差值进行比例积分控制，得到输出结果；根据所述输出结果生成PWM信号。

可选的，所述方法还包括：若检测到所述运算放大器的输出端电平跳变，则从所述运算放大器的反相输入端获取第二采样值，并存储所述第二采样值。

可选的，在从所述运算放大器的反相输入端获取第二采样值之后，还包括：若所述第二采样值大于等于预设阈值，则通过获取第三采样值，并存储所述第三采样值，其中，所述反相输入端通过相串联的第三电阻和第四电阻接地，所述第三采样值的采样位置为所述第三电阻与所述第四电阻的连接点。

可选的，在检测到所述运算放大器的输出端电平跳变之后，还包括：控制保护标志位置位。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现如本发明实施例所述的硬件保护方法。

应用本发明的技术方案，通过控制芯片设定保护值，相对于电阻分压设定保护值的方式，精度高；对于不同待保护电路，通过更改预设参考值即可产生不同的保护值，保护值可调，无需更改硬件，通用性好；利用第一采样模块形成保护值的闭环反馈控制，进一步保证保护值设定的准确稳定。当保护发生时，获取并存储相关采样值，方便后续排查保护原因。

附图说明

图1是现有技术的硬件保护电路的结构示意图；

图2是本发明实施例一提供的硬件保护电路的结构示意图一；

图3是本发明实施例一提供的信号生成模块的结构示意图；

图4是本发明实施例一提供的硬件保护电路的结构示意图二；

图5是本发明实施例一提供的硬件保护电路的结构示意图三；

图6是本发明实施例一提供的硬件保护电路的结构示意图四；

图7是本发明实施例一提供的硬件保护电路的具体示意图；

图8是本发明实施例一提供的保护值设定及闭环控制的具体示意图；

图9是本发明实施例三提供的硬件保护方法的流程图；

图10是本发明实施例三提供的硬件保护方法的具体流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本实施例提供一种硬件保护电路，能够提高硬件保护的精度且具备通用性。参考图2，本实施例的硬件保护电路包括：控制芯片10和运算放大器20。

运算放大器20包括同相输入端(+)、反相输入端(－)和输出端(Output)，反相输入端作为硬件保护电路的输入(即输入的是待保护电路的实际检测信号，例如电机电流或压缩机电流等)，同相输入端设定保护值，输出端作为硬件保护电路的输出。运算放大器还包括电源端(VCC)和接地端。当硬件保护电路的输入大于同相输入端的保护值时，输出端电平跳变，触发保护。

控制芯片10包括第一采样模块11和信号生成模块12。

第一采样模块11，连接至同相输入端，用于获取第一采样值；

信号生成模块12，连接至第一采样模块11和同相输入端，用于根据预设参考值与第一采样值生成预设信号，并向同相输入端输出预设信号以实现保护值的设定。

其中，预设参考值是指要设定的保护值，预设信号是信号生成模块输出的用于提供保护值的信号。

本实施例通过控制芯片设定保护值，相对于电阻分压设定保护值的方式，提高了硬件保护电路的精度；对于不同待保护电路，通过更改预设参考值即可产生不同的保护值，无需更改硬件，通用性好；利用第一采样模块形成保护值的闭环反馈控制，进一步保证保护值设定的准确稳定。

参考图3，信号生成模块12包括：

运算器121，连接至第一采样模块11，用于计算预设参考值(Uref)与第一采样值的差值；

PI控制器122，连接至运算器121，用于对差值进行比例积分控制，得到输出结果；

信号发生器123，连接至PI控制器122和同相输入端之间，用于根据输出结果生成脉冲宽度调制PWM信号并输出至同相输入端。

本实施方式利用第一采样模块、运算器、PI控制器和信号发生器，构成保护值设定及其闭环控制逻辑，通过产生不同占空比的PWM信号以产生不同电压保护值，保证保护值设定的准确稳定。

考虑到若第一采样模块的采样位置与控制芯片距离较远，信号可能存在衰减，因此本实施例设置比例放大器来保证采样值的准确性。具体的，信号生成模块还包括：比例放大器，连接至第一采样模块与运算器之间，用于对第一采样值进行比例调整。比例放大器的比例值具体根据设计电路时采样位置的安排进行设置，例如，若第一采样模块的采样位置与控制芯片距离较远，可通过计算设置比例值为1.13。

如图4所示，信号生成模块通过第一电阻R1连接至同相输入端，第一电阻R1与同相输入端连接的一端通过第一电容C1接地。控制芯片向同相输入端提供保护值信号时，通过RC滤波能够避免其他信号干扰，提高抗干扰能力。R1和C1的选取根据RC电路的频率响应公式以及实际的PWM的开关频率进行设计，目的在于将PWM方波信号通过滤波变成稳定的电压值。

反相输入端通过第二电阻R2连接至检测信号端(Input)，第二电阻与反相输入端连接的一端通过第二电容C2接地。检测信号端(Input)可以是待保护电路的实际检测信号，例如电机电流或压缩机电流等，作为硬件保护电路的输入。通过RC滤波能够提高信号抗干扰能力。R2和C2的选取根据RC电路的频率响应公式进行设计，目的在于对输入信号进行滤波。

如图5所示，控制芯片还包括：

第二采样模块13，连接至反相输入端，用于当输出端电平跳变时，获取第二采样值；

存储模块14，连接至第二采样模块13，用于存储第二采样值。

当保护发生时(即运算放大器输出端电平跳变)，触发第二采样值的采样并记录该第二采样值。第二采样值是运算放大器的反相输入端的值，获取该值方便后续排查保护原因。

进一步的，参考图6，反相输入端还通过相串联的第三电阻R3和第四电阻R4接地；控制芯片还包括：第三采样模块15，连接至第三电阻与第四电阻的连接点，用于当第二采样值大于等于预设阈值时，获取第三采样值；存储模块14，还连接至第三采样模块15，用于存储第三采样值。

其中，预设阈值是略小于控制芯片电源电压的值，例如控制芯片电源电压为3.3V，预设阈值设置为3V。若第二采样值大于等于预设阈值，表示第二采样值即将达到饱和值(即控制芯片电源电压)，若该值达到饱和值，则无法采样，进而就无法根据采样值进行保护原因分析。因此，本实施方式在第二采样值大于等于预设阈值的情况下，触发第三采样值的采样，利用第三电阻和第四电阻分压，将Input信号按照一定比例缩小到控制芯片电源电压以下，例如缩小到0-3.3V，以顺利采样，获取第三采样值并记录后，可以依据该采样值推算出保护发生时的Input信号值，从而方便排查保护原因。R3和R4的比例关系需要根据实际的电流等级及实际测试进行设计。

在实际应用中，第二采样值和第三采样值均可多次采样，直到无法检测到input信号(说明保护完成)，则停止采样。具体的，当保护发生时，可多次采样获取第二采样值，当第二采样值大于等于预设阈值时，可多次采样获取第三采样值。

示例性的，参考图7和图8，保护值的设定具体为：根据要设置的保护值给定预设参考值Uref(具体等于保护值)，利用运算器121对Uref和第一采样值(ADC采样1的采样值)做差，差值经过PI控制器122处理后输出电压，然后PWM信号发生器123依据该电压产生一路PWM脉冲，经RC滤波124(具体对应上述R1和C1)后形成一个直流电压，该直流电压再经AD采样反馈到控制芯片形成闭环控制。由此实现准确稳定的保护值设定。K表示比例放大器。

当保护发生时，先行触发ADC采样2并记录数据。当第二采样值(即ADC采样2的采样值)大于等于3.0V时，说明ADC采样2即将达到饱和值(3.3V)，此时触发ADC采样3并记录数据。ADC采样3存在的意义在于：当Input输入电压大于控制芯片的电源电压(一般为3.3V)，ADC采样3获得的值是经过R3、R4电阻分压后的采样值，可将Input输入电压按照一定比例缩小到0至3.3V，由此保证保护发生时的顺利采样，以根据采样值进行保护原因分析。

实施例二

本实施例提供一种用电系统，包括：上述实施例所述的硬件保护电路。

实施例三

本实施例提供一种硬件保护方法，可基于上述实施例所述的硬件保护电路实现。与上述实施例相同或相应的术语解释，本实施例不再赘述。图9是本发明实施例三提供的硬件保护方法的流程图，如图9所示，该方法包括以下步骤：

S901，从运算放大器的同相输入端获取第一采样值。

S902，根据预设参考值与第一采样值生成预设信号。

S903，向运算放大器的同相输入端输出预设信号，以实现保护值的设定。

本实施例相对于电阻分压设定保护值的方式，利用控制芯片设置预设参考值的方式来设定保护值，提高了硬件保护电路的精度；对于不同待保护电路，通过更改预设参考值即可产生不同的保护值，无需更改硬件，通用性好；利用第一采样值形成保护值的闭环反馈控制，进一步保证保护值设定的准确稳定。

具体的，根据预设参考值与第一采样值生成预设信号，包括：计算预设参考值与第一采样值的差值；对差值进行比例积分控制，得到输出结果；根据输出结果生成PWM信号。本实施方式构成保护值设定及其闭环控制逻辑，通过产生不同占空比的PWM信号以产生不同电压保护值，保证保护值设定的准确稳定。

在一个可选的实施方式中，上述方法还包括：若检测到运算放大器的输出端电平跳变，则从运算放大器的反相输入端获取第二采样值，并存储第二采样值。当保护发生时(即运算放大器输出端电平跳变)，触发第二采样值的采样并记录该第二采样值。第二采样值是运算放大器的反相输入端的值，获取该值方便后续排查保护原因。

进一步的，在从运算放大器的反相输入端获取第二采样值之后，还包括：若第二采样值大于等于预设阈值，则通过获取第三采样值，并存储第三采样值，其中，反相输入端通过相串联的第三电阻和第四电阻接地，第三采样值的采样位置为第三电阻与第四电阻的连接点。本实施方式在第二采样值大于等于预设阈值的情况下，触发第三采样值的采样，利用第三电阻和第四电阻分压，将Input信号按照一定比例缩小到控制芯片电源电压以下，例如缩小到0-3.3V，以顺利采样，获取第三采样值并记录后，可以依据该采样值推算出保护发生时的Input信号值，从而方便排查保护原因。

在一个可选的实施方式中，在检测到运算放大器的输出端电平跳变之后，还包括：控制保护标志位置位。设置保护标志位，便于获知用电系统的保护状态。

参考图10，对于待保护电路，根据实际需求设定保护值，若发生保护，则先触发第二采样值的采样，若第二采样值大于等于预设阈值，则触发第三采样值的采样；保护标志置位，并保存采样值，以便分析保护原因。

实施例四

本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本发明实施例所述的硬件保护方法。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (14)

1.一种硬件保护电路，其特征在于，包括：控制芯片和运算放大器；

所述运算放大器包括同相输入端、反相输入端和输出端，所述反相输入端作为所述硬件保护电路的输入，所述输出端作为所述硬件保护电路的输出；

所述控制芯片包括第一采样模块和信号生成模块；

所述第一采样模块连接至所述同相输入端，用于获取第一采样值；

所述信号生成模块，连接至所述第一采样模块和所述同相输入端，用于根据预设参考值与所述第一采样值生成预设信号，并向所述同相输入端输出所述预设信号以实现保护值的设定。

2.根据权利要求1所述的硬件保护电路，其特征在于，所述信号生成模块包括：

运算器，连接至所述第一采样模块，用于计算所述预设参考值与所述第一采样值的差值；

PI控制器，连接至所述运算器，用于对所述差值进行比例积分控制，得到输出结果；

信号发生器，连接至所述PI控制器和所述同相输入端之间，用于根据所述输出结果生成脉冲宽度调制PWM信号并输出至所述同相输入端。

3.根据权利要求2所述的硬件保护电路，其特征在于，所述信号生成模块还包括：

比例放大器，连接至所述第一采样模块与所述运算器之间，用于对所述第一采样值进行比例调整。

4.根据权利要求1所述的硬件保护电路，其特征在于，所述信号生成模块通过第一电阻连接至所述同相输入端，所述第一电阻与所述同相输入端连接的一端通过第一电容接地。

5.根据权利要求1所述的硬件保护电路，其特征在于，所述反相输入端通过第二电阻连接至检测信号端，所述第二电阻与所述反相输入端连接的一端通过第二电容接地。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的硬件保护电路，其特征在于，所述控制芯片还包括：

第二采样模块，连接至所述反相输入端，用于当所述输出端电平跳变时，获取第二采样值；

存储模块，连接至所述第二采样模块，用于存储所述第二采样值。

7.根据权利要求6所述的硬件保护电路，其特征在于，所述反相输入端还通过相串联的第三电阻和第四电阻接地；

所述控制芯片还包括：第三采样模块，连接至所述第三电阻与所述第四电阻的连接点，用于当所述第二采样值大于等于预设阈值时，获取第三采样值；

所述存储模块，还连接至所述第三采样模块，用于存储所述第三采样值。

8.一种用电系统，其特征在于，包括：权利要求1至7中任一项所述的硬件保护电路。

9.一种硬件保护方法，其特征在于，基于权利要求1至7中任一项所述的硬件保护电路实现，所述方法包括：

从运算放大器的同相输入端获取第一采样值；

根据预设参考值与所述第一采样值生成预设信号；

向运算放大器的同相输入端输出所述预设信号，以实现保护值的设定。

10.根据权利要求9所述的硬件保护方法，其特征在于，根据预设参考值与所述第一采样值生成预设信号，包括：

计算所述预设参考值与所述第一采样值的差值；

对所述差值进行比例积分控制，得到输出结果；

根据所述输出结果生成脉冲宽度调制PWM信号。

11.根据权利要求9所述的硬件保护方法，其特征在于，还包括：

若检测到所述运算放大器的输出端电平跳变，则从所述运算放大器的反相输入端获取第二采样值，并存储所述第二采样值。

12.根据权利要求11所述的硬件保护方法，其特征在于，在从所述运算放大器的反相输入端获取第二采样值之后，还包括：

若所述第二采样值大于等于预设阈值，则通过获取第三采样值，并存储所述第三采样值，其中，所述反相输入端通过相串联的第三电阻和第四电阻接地，所述第三采样值的采样位置为所述第三电阻与所述第四电阻的连接点。

13.根据权利要求11所述的硬件保护方法，其特征在于，在检测到所述运算放大器的输出端电平跳变之后，还包括：

控制保护标志位置位。

14.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求9至13中任一项所述的硬件保护方法。

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