CN112737432B - 一种直流电机双向续流电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直流电机双向续流电路,在电源与直流电机之间并联有两路单向续流电路,两路单向续流电路分别为单向续流电路I和单向续流电路II,单向续流电路包括二极管以及与二极管串联的等效开关;两路单向续流电路中二极管导通方向相反;当施加在直流电机两端的电压Ua>Ub时,等效开关I闭合,等效开关II断开;当施加在直流电机两端的电压Ua<Ub时,等效开关II闭合,等效开关I断开。本发明直流电机双向续流电路通过并联两路单向续流电路,既能解决电机在断电瞬间续流的问题,又能实现直流电机的双向转动控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种直流电机双向续流电路。
背景技术
在直流电机控制电路设计中,需要考虑断电瞬间电机储能的吸收、续流问题。通常的做法是利用二极管的单向性,在电机两端并联二极管,在断电瞬间续流吸收这部分储能,以降低断电瞬间电机产生的火花和电磁干扰。
在需要控制直流电机正、反两个方向旋转的应用中,施加在电机两端的电压可以是正电压、也可以是负电压,简单的在电机两端并联二极管的方案显然不可行。
发明内容
发明目的:本发明针对技术现有通过并联二极管解决电机在断电瞬间续流问题时只能使正机朝一个方向转动(即只能正转或反转)存在的灵活性差的问题,提供一种直流电机双向续流电路,通过并联两路单向续流电路,既能解决电机在断电瞬间续流的问题,又能实现直流电机的双向转动控制。
技术方案:本发明所述的直流电机双向续流电路,在电源与直流电机之间并联有两路单向续流电路,两路单向续流电路分别为单向续流电路I和单向续流电路II,单向续流电路包括二极管以及与二极管串联的等效开关;两路单向续流电路中二极管导通方向相反;当施加在直流电机两端的电压Ua>Ub时,等效开关I闭合,等效开关II断开;当施加在直流电机两端的电压Ua<Ub时,等效开关II闭合,等效开关I断开。
其中,所述等效开关包括电容以及与电容并联的至少一路光开关,在电容与电源的充电回路上设有肖特基二极管;当电源有电时,电源通过肖特基二极管给电容充电,电容与稳压二极管并联(电容充电电压值由并联的稳压二极管控制),同时多路光开关处于闭合状态,当电源断电时,电容放电给多路光开关供电,多路光开关仍处于闭合状态,直流电机通过二极管与光开关形成续流回路。
其中,单向续流电路I包括单向电容充电回路I、单向电容放电回路I和单向续流回路I,其中,单向电容充电回路I包括电源、电阻R1、肖特基二极管D7和电容C2,单向电容充电回路I中,电容C2与稳压二极管D13、D14并联;单向电容放电回路I包括光开关U1放电回路和光开关U6放电回路,光开关U1放电回路包括电容C2、电阻R2和光开关U1,光开关U6放电回路包括电容C2、电阻R7和光开关U6,单向续流回路I包括光开关U1续流回路和光开关U6续流回路,光开关U1续流回路包括直流电机、二极管D15、二极管D16和光开关U1,光开关U6续流回路包括直流电机、二极管D15、二极管D16和光开关U6。
其中,单向续流电路II包括单向电容充电回路II、单向电容放电回路II和单向续流回路II;其中,单向电容充电回路II包括电源、电阻R10、肖特基二极管D12和电容C1,单向电容充电回路II中,电容C1与稳压二极管D4、D5并联;单向电容放电回路II包括光开关U2放电回路和光开关U8放电回路,光开关U2放电回路包括电容C1、电阻R4和光开关U2,光开关U8放电回路包括电容C1、电阻R9和光开关U8,单向续流回路I包括光开关U2续流回路和光开关U8续流回路,光开关U2续流回路包括直流电机、二极管D1、二极管D2和光开关U2,光开关U6续流回路包括直流电机、二极管D1、二极管D2和光开关U8。
其中,在电源断电时,电容C2上的储能高于光开关U1控制端门限电压,电容C2上的储能也高于光开关U6控制端门限电压;或电容C1上的储能高于光开关U2控制端门限电压,电容C1上的储能也高于光开关U8控制端门限电压。
本发明所述直流电机双向续流电路的工作原理为:
控制直流电机进行正、反两个方向旋转,施加在直流电机M两端的控制电压存在A、B、C三种情况:
状态A:对应(Ua-Ub)>0,控制直流电机M正向旋转,单向续流电路II等效开关II为开路,电源断电瞬间单向续流电路I起作用,吸收电机储能。
状态B:断电,对应(Ua-Ub)=0开路,控制直流电机M停止转动。
状态C:对应(Ua-Ub)<0,控制直流电机M反向旋转,单向续流电路I等效开关I为开路,电源断电瞬间单向续流电路II起作用,吸收电机储能。
有益效果:本发明直流电机双向续流电路,在实现直流电机断电瞬间续流、吸收电机储能的同时还可以实现直流电机的双向控制,同时,由于每路单向续流电路中均含有两路光开关,当其中一路光开关失灵的情况下,都可以通过另一个光开关形成稳定的续流回路,以保证电路稳定运行。
附图说明
图1为现有技术中在电机两端并联二极管的电路原理图;
图2为本发明直流电机双向续流电路的电路原理图;
图3为本发明直流电机正向旋转到停止时的续流、吸能原理图;
图4为本发明直流电机反向旋转到停止时的续流、吸能原理图。
具体实施方式
如图2~4所示,本发明直流电机双向续流电路,包括直流电机M,由电阻R1、电阻R2、电阻R7、二极管D7、稳压管D13、稳压管D14、二极管D15、二极管D16、电容C2、光开关U1和光开关U6构成单向续流电路I,由电阻R3、电阻R10、电阻R9、二极管D1、二极管D2、稳压管D4、稳压管D5、二极管D12、电容C1、光开关U2和光开关U8构成单向续流电路II。
单向续流电路I包括:
电阻R1、二极管D7、电容C2、稳压管D13、稳压管D14构成对电容C2的单向充电回路I,其中稳压管D13和稳压管D14对充电电压进行保护和限制;
电容C2、电阻R2、光开关U1构成放电回路I,以维持光开关U1在时间T内处于导通状态;
电容C2、电阻R7、光开关U6构成放电回路I的备份放电回路II,以维持光开关U6在时间T内处于导通状态;
光开关U1、二极管D15、二极管D16构成对直流电机M的续流回路I,以吸收直流电机M在电源停止瞬间所释放的能量;
光开关U6、二极管D15、二极管D16构成对直流电机M续流回路I的备份续流回路II,以吸收直流电机M在电源停止瞬间所释放的能量。
单向续流电路II包括:
电阻R10、二极管D12、电容C1、稳压管D4、稳压管D5构成对电容C1的单向充电回路II,其中稳压管D4和稳压管D5对充电电压进行保护和限制;
电容C1、电阻R4、光开关U2构成的单向放电回路I,以维持光开关U2在时间T内处于导通状态;
电容C1、电阻R9、光开关U8构成单向放电回路I的备份单向放电回路II,以维持光开关U8在时间T内处于导通状态;
光开关U2、二极管D1、二极管D2构成对直流电机M的单向续流回路I,以吸收直流电机M在电源停止瞬间所释放的能量;
光开关U8、二极管D1、二极管D2构成对直流电机M单向续流回路I备份的单向续流回路II,以吸收直流电机M在电源停止瞬间所释放的能量。
施加在直流电机M两端的电压有A、B、C三种状态:状态A为(Ua-Ub)>0,流过M的稳态电流为+I;状态B为(Ua-Ub)=0,此时电路处于开路状态;状态C为(Ua-Ub)<0,流过M的稳态电流为-I。
当施加在直流电机M两端的电压为状态A时,控制直流电机M正向旋转,流过M的稳态电流为+I,单向续流电路I起作用,电压(Ua-Ub)>0,通过电阻R1、二极管D7、电容C2、稳压管D13、稳压管D14形成的充电回路对电容C2充电,稳压管D13、稳压管D14(起到分压作用)防止Ua过大,损坏光开关U1;通过电阻R1、二极管D7、电阻R2,实现光开关U1导通;同时通过R1、二极管D7和电阻R7,实现光开关U6导通;单向续流电路II中因为二极管D12的单向性,光开关U2和光开关U8处于断开状态。
当施加在直流电机M两端的电压从状态A转换到状态B时,单向续流电路I中电容C2上的储能通过电阻R2连通光开关U1在时间T内导通(这一段时间T内导通),同时也通过电阻R7连通U6在相同的时间T内导通,直流电机M的储能通过光开关U1、光开关U6、二极管D15和二极管D16形成续流回路。
当施加在直流电机M两端的电压为状态C时,控制直流电机M反向旋转,流过直流电机M的稳态电流为-I,单向续流电路II起作用,电压(Ua-Ub)<0,通过电阻R10、二极管D12、电容C1、稳压管D4、稳压管D5形成的充电回路对电容C1充电;通过电阻R10、二极管D12、电阻R9,实现光开关U8导通;同时通过R10、二极管D12和电阻R4,实现光开关U2导通;单向续流电路I中因为二极管D7的单向性,光开关U1和光开关U6处于断开状态。
当施加在直流电机M两端的电压从状态C转换到状态B时,单向续流电路II中电容C1上的储能通过电阻R4连通光开关U2在时间T内导通,同时也通过电阻R9连通U8在相同的时间T内导通,直流电机M的储能通过光开关U2、光开关U8、二极管D1和二极管D2形成续流回路。
电容的储能公式W=1/2CU2(U为电容充电电压值),电感的储能公式W=1/2LI2。
电容的充放电时间计算公式,假设有电源Vu通过电阻R给电容C充电,V0为电容上的初始电压值,Vu为电容充满电后的电压值,Vt为任意时刻t时电容上的电压值,那么便可以得到如下的计算公式:
Vt=V0+(Vu-V0)*[1-exp(-t/RC)]
如果电容上的初始电压为0,则公式可以简化为:
Vt=Vu*[1-exp(-t/RC)](充电公式)
由上述公式可知,因为指数值只可能无限接近于0,但永远不会等于0,所以电容电量要完全充满,需要无穷大的时间。
当t=RC时,Vt=0.63Vu;
当t=2RC时,Vt=0.86Vu;
当t=3RC时,Vt=0.95Vu;
当t=4RC时,Vt=0.98Vu;
当t=5RC时,Vt=0.99Vu;
可见,经过3~5个RC后,充电过程基本结束。
当电容充满电后,将电源Vu短路,电容C会通过R放电,则任意时刻t,电容上的电压为:
Vt=Vu*exp(-t/RC)(放电公式)
对于电路时间常数RC的计算,把去掉电源后的电路简化成一个等效电阻R和等效电容C串联的RC放电回路,等效电阻R和等效电容C的乘积就是电路的时间常数;当电阻的单位是“欧姆”,电容的单位是“法拉”时,乘得的时间常数单位才是“秒”。
电容充电时,经过一个时间常数RC时,电容上的电压等于充电电源电压的0.63倍;电容放电时,经过一个时间常数RC时,电容上的电压下降到电源电压的0.37倍。
这里光开关(U1、U6、U2、U8)选择OMRON公司的G3VM-21HR。它在导通的情况下,门限电压为VON,内阻值为RON1。续流二极管(D4、D5、D15、D16)选择NXP公司的PMEG3050EP。它在导通的情况下,内阻值为RON2。直流电机自身的内阻值为RON3。假设直流电机的额定电流为I,电感量为L,It为任意时刻t时电感上的电流值,我们可以把直流电机上储存的能量近似表达为W=1/2LI2。当直流电机从转动状态转换到停止状态时,直流电机上储存的能量就需要时间t在RON1,RON2和RON3上来消耗,那么由电感放电公式:
It=I*exp[-t*(RON1+RON2+RON3)/L]
可以推导出续流时间t的公式为:
t=ln(It/I)*L/(RON1+RON2+RON3)
再根据前文所述,电容放电公式:
Vt=Vu*exp(-t/RC)
这里Vu为电容充满电后的电压值,Vt为任意时刻t时电容上的电压值,R为放电回路的电阻值,C为储能电容的电容值。
只有当Vt大于等于VON时,电路中的光开关才能稳定打开,所以储能电容的电压极限值就是VON,这样我们把续流时间代入电容放电,就可以得到关键元件储能电容的电容值计算公式:
C=-t/R/ln(VON/Vu)
=-[ln(It/I)*L/(RON1+RON2+RON3)]/R/ln(VON/Vu)
因此当施加在直流电机M两端的电压从状态A转换到状态B时,单向续流电路I中电容C2上的储能高于光开关U1控制端门限电压,通过电阻R2控制光开关U1在时间T内打开,此时直流电机M的储能通过光开关U1、二极管D15、二极管D16形成续流回路;同一时刻,电容C2上的储能也高于光开关U6控制端门限电压,通过电阻R7控制光开关U6在相同的时间T内导通,直流电机M的储能也通过光开关U6、二极管D15、二极管D16形成续流回路。当光开关U1和光开关U6中的某一个光开关失灵时,都可以通过另一个光开关形成稳定的续流回路,以保证电路稳定运行。
当施加在直流电机M两端的电压从状态C转换到状态B时,单向续流电路II中电容C1上的储能高于光开关U2控制端门限电压,通过电阻R4控制光开关U2在时间T内打开,此时直流电机M的储能通过光开关U2、二极管D1、二极管D2形成续流回路;同一时刻,电容C1上的储能也高于光开关U8控制端门限电压,通过电阻R9控制光开关U8在相同的时间T内导通,直流电机M的储能也通过光开关U8、二极管D1、二极管D2形成续流回路。当光开关U2和光开关U8中的某一个光开关失灵时,都可以通过另一个光开关形成稳定的续流回路,以保证电路稳定运行。即电容从充电电压值降到关开关门限电压值的时间大于或等于直流电机的放电时间即可。
本发明直流电机双向续流电路,单向续流电路I适配电机正转情况,单向续流电路II适配电机反转情况,从而实现了直流电机断电瞬间的快速双向续流、吸能。
Claims (1)
1.一种直流电机双向续流电路,其特征在于:在电源与直流电机之间并联有两路单向续流电路,两路单向续流电路分别为单向续流电路I和单向续流电路II,单向续流电路包括二极管以及与二极管串联的等效开关;两路单向续流电路中二极管导通方向相反;当施加在直流电机两端的电压Ua>Ub时,等效开关I闭合,等效开关II断开;当施加在直流电机两端的电压Ua<Ub时,等效开关II闭合,等效开关I断开;在电容与电源的充电回路上设有肖特基二极管;当电源有电时,电源通过肖特基二极管给电容充电,电容与稳压二极管并联,同时多路光开关处于闭合状态,当电源断电时,电容放电给多路光开关供电,多路光开关仍处于闭合状态,直流电机通过二极管与光开关形成续流回路;单向续流电路I包括单向电容充电回路I、单向电容放电回路I和单向续流回路I,其中,单向电容充电回路I包括电源、电阻R1、肖特基二极管D7和电容C2,单向电容充电回路I中,电容C2与稳压二极管D13、D14并联;单向电容放电回路I包括光开关U1放电回路和光开关U6放电回路,光开关U1放电回路包括电容C2、电阻R2和光开关U1,光开关U6放电回路包括电容C2、电阻R7和光开关U6,单向续流回路I包括光开关U1续流回路和光开关U6续流回路,光开关U1续流回路包括直流电机、二极管D15、二极管D16和光开关U1,光开关U6续流回路包括直流电机、二极管D15、二极管D16和光开关U6;单向续流电路II包括单向电容充电回路II、单向电容放电回路II和单向续流回路II;其中,单向电容充电回路II包括电源、电阻R10、肖特基二极管D12和电容C1,单向电容充电回路II中,电容C1与稳压二极管D4、D5并联;单向电容放电回路II包括光开关U2放电回路和光开关U8放电回路,光开关U2放电回路包括电容C1、电阻R4和光开关U2,光开关U8放电回路包括电容C1、电阻R9和光开关U8,单向续流回路II包括光开关U2续流回路和光开关U8续流回路,光开关U2续流回路包括直流电机、二极管D1、二极管D2和光开关U2,光开关U8续流回路包括直流电机、二极管D1、二极管D2和光开关U8;
在电源断电时,电容C2上的储能高于光开关U1控制端门限电压,电容C2上的储能也高于光开关U6控制端门限电压;或电容C1上的储能高于光开关U2控制端门限电压,电容C1上的储能也高于光开关U8控制端门限电压;
所述等效开关I包括电容C2以及与电容C2并联的两路光开关U1和U6,所述等效开关II包括电容C1以及与电容C1并联的两路光开关U2和U8;直流电源Ua分别与电阻R1的一端、光开关U1的一端、电容C1的一端,二极管D4、D5的阳极、二极管D1、D2的阳极以及直流电机M的一端连接;直流电源Ub分别与电容C2的一端、二极管D13、D14的阳极、二极管D15、D16的阳极、电阻R10的一端、光开关U8的一端以及直流电机M的另一端连接。
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