CN112737473A - 电机异常保护电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了电机异常保护电路，属于紧急保护电路领域。该电路包括：驱动桥模块、驱动输出模块、功能控制模块和电压监测模块，驱动桥模块包括被设置为接收泄放电压并将电机绕组接地的泄放控制单元，驱动输出模块连接驱动桥模块，被设置为向驱动桥模块输入泄放电压，功能控制模块与驱动输出模块连接，被设置为限制驱动输出模块向驱动桥模块输入泄放电压，电压监测模块用于监测母线的电压，分别与驱动输出模块和功能控制模块连接。本发明通过增加电压监测模块，能够在控制系统失效时使用电路硬件检测母线电压，通过驱动输出模块进行主动泄放的方法，将发电电流主动引导泄放到地上，防止母线电压异常升高。
Description
技术领域
本发明属于紧急保护电路领域，具体是电机异常保护电路。
背景技术
随着电子助力系统技术的成熟，同时考虑到成本、空间、重量、性能等因素，不仅电动车，燃油车上也越来越多的采用集成了电子助力功能的制动系统，现有车辆集成制动系统中的电子助力部分的核心是一个三相无刷电机，通过控制无刷电机转动，配合电磁阀开闭来将制动液从主缸输送到轮缸，给轮缸提供所需的制动压力。
制动过程中，电机推动活塞压缩制动液，制动液的压力不断升高，会对电机施加反向推力。正常情况下电机受控，可以用电机的电磁力抵消这个推力，维持稳定。但是如果发生制动系统断电等异常工况时，此时制动系统的控制系统的软件控制功能也因断电而失效，高压制动液会推动电机快速反转，这一过程中电机相当于成为了一个发电机，高速反转发电，电流会通过驱动桥的上臂体二极管给电机母线电源网络中的电容充电，因为体二极管的单项导通性，充电后母线电压会不断升高，过高的电压会损坏电子元件，甚至会烧毁电机。
传统解决方案是如图2所示采用大功率电子稳压管等元件作为被动能量吸收器件，抑制电机反转产生的高电压，母线电压过高时，稳压元件击穿导通，泄放能量，但是这种方案有以下几点问题：A、大功率被动元件体积大，价格高，对系统体积和成本负面影响大。
B、母线电压超过可承受值之后才能激活被动元件，此时电压已经很高，对连接到母线上的元件损耗比较大。
C、大功率被动元件本身受到电流冲击损耗、自身寿命、工艺一致性差异的影响，有随机失效和疲劳失效的风险，导致保护效果下降甚至完全丧失，特别是遇到蓄电池连接不牢，接触不良的时候，多次强电流放电会加速元件老化失效。
发明内容
发明目的：提供电机异常保护电路及保护方法，以解决现有技术存在的上述问题。
技术方案：电机异常保护电路，包括：驱动桥模块，连接母线和电机绕组。
所述驱动桥模块包括泄放控制单元，所述泄放控制单元被设置为接收泄放电压并将电机绕组接地。
保护电路还包括：驱动输出模块，连接驱动桥模块，被设置为向驱动桥模块输入泄放电压。
功能控制模块，与所述驱动输出模块连接，被设置为限制所述驱动输出模块向所述驱动桥模块输入所述泄放电压。
电压监测模块，用于监测母线的电压，分别与所述驱动输出模块和所述功能控制模块连接，被设置为当所述母线电压值大于等于泄放电压阈值时，禁用所述功能控制模块。
在进一步的实施例中，所述电压监测模块还被设置为：当母线电压超过预备电压阈值且未达到泄放电压阈值时，启用所述功能控制模块和所述驱动输出模块，通过设置预备电压阈值实现预启动的方式提高响应速度。
在进一步的实施例中，所述功能控制模块还包括禁止电路，分别与控制系统和驱动输出模块连接，所述禁止电路被设置为由控制系统对所述驱动输出模块输入控制指令。
在进一步的实施例中，所述泄放控制单元包括设于三相电机中至少一相电源线路上的MOSFET。
在进一步的实施例中，电机异常保护电路还包括辅助泄放单元，设置于驱动输出模块与驱动桥模块之间，所述辅助泄放单元的控制端与驱动输出模块连接，输入端与三相电机中至少一相电源线路连接。
在进一步的实施例中，所述电压监测模块包括：泄放电压配置单元和预备电压配置单元。
所述泄放电压配置单元，包括若干用于配置泄放电压阈值的电阻。
所述预备电压配置单元，包括若干用于配置预备电压阈值的电阻。
在进一步的实施例中，所述电压监测模块和功能控制模块还包括若干截止元件，被设置为控制不同的电压信号向所述驱动输出模块和所述功能控制模块的输入。
在进一步的实施例中，所述预备电压配置单元包括：第一电阻、稳压单元、第二电阻和第三电阻。
所述第一电阻的输入端与母线连接，输出端与稳压单元的一端连接。
所述稳压单元的另一端接地。
所述第二电阻的输入端与第一电阻的输入端连接，输出端与第一截止元件的输入端连接。
所述第一截止元件的控制端与第一电阻的输出端连接。
所述第三电阻的输入端与第一电阻的输入端连接。
在进一步的实施例中，所述泄放电压配置单元包括：第一截止元件、第四电阻和第五电阻。
所述第一截止元件的输入端与第二电阻的输出端连接。
所述第四电阻的输入端与第一截止元件的输出端连接，输出端与第五电阻的输入端连接。
所述第五电阻的输出端接地。
当第一截止元件导通时，母线电压从第一截止元件的输出端输出到驱动输出模块。
在进一步的实施例中，所述功能控制模块包括：第二截止元件和第三截止元件。
所述第二截止元件的控制端与第三电阻的输出端连接，输入端与第一截止元件的输出端连接，输出端接地。
所述第三截止元件的控制端与第四电阻的输出端连接，输入端与第三电阻的输出端连接，输出端接地。
当第二截止元件导通时，母线电压从第一截止元件的输出端输出到地，驱动输出模块关闭。
当第三截止元件导通时，第三电阻接地，第二截止元件截止，母线电压从第一截止元件的输出端输出到驱动输出模块，驱动输出模块开启。
在进一步的实施例中，所述驱动输出模块包括第六电阻和信号隔离单元。
所述第六电阻的输入端与第一截止元件的输出端连接，输出端与信号隔离单元的输入端连接。
信号隔离单元的输出端与驱动桥模块连接，所述信号隔离单元被设置为隔离所述保护电路的电压信号对所述泄放控制单元的控制信号的干扰。
在进一步的实施例中，所述禁止电路还包括第七电阻和第四截止元件。
所述第七电阻的输入端与控制系统连接，输出端与第四截止元件的控制端连接。
所述第四截止元件的输入端与第六电阻的输出端连接，输出端接地。
有益效果：本发明公开了电机异常保护电路，通过增加电压监测模块，能够在控制系统失效时使用电路硬件检测母线电压。
通过增加驱动输出模块和功能控制模块，能够保证系统未断电，控制系统正常工作时，控制系统作为主控制模块，禁止主动泄放功能启动，不影响三相电机正常驱动。
通过增加驱动输出模块进行主动泄放的方法，给电流提供了一个新的流通路径，在电机驱动电路损坏或者系统异常掉电等情况下，将电机不受控反转产生的发电电流主动引导泄放到地上，在电压超过可承受值之前就主动启动保护，防止母线电压异常升高。同时，利用电机三相绕组反转发电时，绕组回路会产生反向电磁阻力的特性，可以主动降低电机反转速度，保护电子元件和机械结构。
能够在控制系统失效时使用电路硬件控制驱动桥模块的主动泄放功能的禁止或开启，使用电机反转的发电电流开启驱动桥模块的主动泄放功能，能够解决系统断电控制系统失效时，电机反转发电的电压过高会损坏电子元件，甚至会烧毁电机的问题。
与现有技术相比还具有以下有益效果：A、电机异常保护电路主要用于控制电路元件的通断，使用电流小于大功率被动元件，与大功率被动元件相比具有体积小及成本低的优点；B、在电压监测模块内设置有泄放电压值，能够在母线电压超过可承受值前开启驱动桥模块的主动泄放功能，减少对连接到母线上的元件损耗；C、电路模块主要进行信号控制用于控制电路元件的通断，使用电流小于大功率被动元件，与大功率被动元件相比具有损耗小、使用寿命长、易实现工艺一致性，降低了随机失效和疲劳失效的概率，提高了保护效果，降低了老化失效的速度。
附图说明
图1是本发明的电机反转造成失效原理示意图。
图2是本发明的现有保护方案原理示意图。
图3是本发明的电路原理示意图。
图4是本发明设置有辅助泄放单元的电路原理示意图。
图1至图4所示附图标记为：母线1、电机绕组2、驱动桥模块3、控制系统4、电压监测模块5、功能控制模块6、驱动输出模块7、辅助泄放单元8、电源301、电容302、供电控制单元303、泄放控制单元304、被动能量吸收器件305、第一电阻501、稳压单元502、第二电阻503、第一截止元件504、第三电阻505、第四电阻506、第五电阻507、第二截止元件601、第三截止元件602、第七电阻603、第四截止元件604、第六电阻701、信号隔离单元702。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
现有技术如图1和2所示电机驱动电路损坏或者系统异常掉电等情况下，电机不受控反转产生的发电电流走驱动桥上臂给母线电容充电，存在母线电压过高的问题，为了解决上述问题，申请人研发了一种电机异常保护电路及保护方法。
该电机异常保护电路包括：驱动桥模块3、控制系统4、电压监测模块5、功能控制模块6、驱动输出模块7、辅助泄放单元8、电源301、电容302、供电控制单元303、泄放控制单元304、第一电阻501、稳压单元502、第二电阻503、第一截止元件504、第三电阻505、第四电阻506、第五电阻507、第二截止元件601、第三截止元件602、第七电阻603、第四截止元件604、第六电阻701和信号隔离单元702。
其中，驱动桥模块3用于连接母线1和电机绕组2，驱动桥模块3包括电源301、电容302、供电控制单元303和泄放控制单元304。
本实施方式中的电源301的正极与母线1连接，负极接地。电容302的一端与电源301的正极连接，另一端与电源301的负极连接。
本实施方式中的供电控制单元303的一端与电源301的正极连接，另一端与电机绕组2连接。泄放控制单元304的一端与供电控制单元303和电机绕组2连接，另一端接地。
具体的，如图3所示，供电控制单元303和泄放控制单元304的数量与电机绕组2的相数相应配合。当然，作为可替代的实施方式，泄放控制单元304可设置至少一个，其至少与三相电机绕组中的一相连接即可，换言之，泄放控制单元304也可以设置两个，分别与三相电机绕组中的两相连接。
泄放控制单元304打开后直接接地，三相电机倒拖反转发电时产生的相电流会通过线圈绕组和泄放控制单元304直接接到地上，而不会通过驱动桥模块3的上臂体二极管继续给母线1电容302充电，保证了母线1电压不会继续升高。
泄放控制单元304被设置为接收泄放电压并将电机绕组2接地，泄放控制单元304具有主动泄放功能，泄放控制单元304打开即开启主动泄放功能将电机绕组2接地，对发电电流进行引导泄放。
具体地，如图3所示的泄放控制单元304包括设于三相电机中至少一相电源301线路上的MOSFET，该MOSFET是金属-氧化物半导体场效应晶体管，简称金氧半场效晶体管（Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor，MOSFET）是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管（field-effecttransistor）。
在另一实施例中，电机异常保护电路还包括设置于驱动输出模块7与驱动桥模块3之间的辅助泄放单元8，如图4所示的实施例中辅助泄放单元8是截止元件，辅助泄放单元8的控制端与驱动输出模块7连接，输入端与三相电机中至少一相电源301线路连接，输出端接地，辅助泄放单元8的主动泄放与泄放控制单元304的主动泄放可并行工作实现电机保护，也可在泄放控制单元304的主动泄放可功能失效时由辅助泄放单元8的主动泄放实现电机保护。
保护电路还包括：驱动输出模块7、功能控制模块6和电压监测模块5。
参见附图3，其中驱动输出模块7连接驱动桥模块3，驱动输出模块7被设置为向驱动桥模块3输入泄放电压。
功能控制模块6与驱动输出模块7连接，功能控制模块6被设置为限制驱动输出模块7向驱动桥模块3输入泄放电压。
电压监测模块5分别与驱动输出模块7和功能控制模块6连接，用于监测母线1的电压，被设置为当母线1电压值大于等于泄放电压阈值时，禁用功能控制模块6。
在进一步的实施例中，电压监测模块5还被设置为：当母线1电压超过预备电压阈值且未达到泄放电压阈值时，启用功能控制模块6和驱动输出模块7，通过设置预备电压阈值实现主动泄压功能预启动，提高响应速度，保护泄放电路。
在进一步的实施例中，功能控制模块6还包括禁止电路，分别与控制系统4和驱动输出模块7连接，禁止电路被设置为由控制系统4对驱动输出模块7输入控制指令。
本发明实施例中的电压监测模块5包括：泄放电压配置单元和预备电压配置单元
泄放电压配置单元，包括若干用于配置泄放电压阈值的电阻。
预备电压配置单元，包括若干用于配置预备电压阈值的电阻。
在本实施例中，电压监测模块5和功能控制模块6还包括若干截止元件，被设置为控制不同的电压信号向驱动输出模块7和功能控制模块6的输入。
在本实施例中，预备电压配置单元包括：第一电阻501、稳压单元502、第二电阻503和第三电阻505。
第一电阻501的输入端与母线1连接，输出端与稳压单元502的一端连接。
稳压单元502的另一端接地。
第二电阻503的输入端与第一电阻501的输入端连接，输出端与第一截止元件504的输入端连接。
第一截止元件504的控制端与第一电阻501的输出端连接。
第三电阻505的输入端与第一电阻501的输入端连接。
在本实施例中，泄放电压配置单元包括：第一截止元件504、第四电阻506和第五电阻507。
第一截止元件504的输入端与第二电阻503的输出端连接。
第四电阻506的输入端与第一截止元件504的输出端连接，输出端与第五电阻507的输入端连接。
第五电阻507的输出端接地。
当第一截止元件504导通时，母线1电压从第一截止元件504的输出端输出到驱动输出模块7。
在本实施例中，功能控制模块6包括：第二截止元件601和第三截止元件602。
第二截止元件601的控制端与第三电阻505的输出端连接，输入端与第一截止元件504的输出端连接，输出端接地。
第三截止元件602的控制端与第四电阻506的输出端连接，输入端与第三电阻505的输出端连接，输出端接地。
当第二截止元件601导通时，母线1电压从第一截止元件504的输出端输出到地，驱动输出模块7关闭。
当第三截止元件602导通时，第三电阻505接地，第二截止元件601截止，母线1电压从第一截止元件504的输出端输出到驱动输出模块7，驱动输出模块7开启。
在本实施例中，驱动输出模块7包括第六电阻701和信号隔离单元702。
第六电阻701的输入端与第一截止元件504的输出端连接，输出端与信号隔离单元702的输入端连接。
信号隔离单元702的输出端与驱动桥模块3连接，信号隔离单元702被设置为隔离保护电路的电压信号对泄放控制单元304的控制信号的干扰。
如图3和4所示的实施例中信号隔离单元702的输出端与至少一个泄放控制单元304的控制端连接。
在本实施例中，禁止电路还包括第七电阻603和第四截止元件604。
第七电阻603的输入端与控制系统4连接，输出端与第四截止元件604的控制端连接。
第四截止元件604的输入端与第六电阻701的输出端连接，输出端接地。
基于本发明实施方式的电机异常保护电路的保护方法如下：
S1. 通过调整第一电阻501的阻值，以及稳压单元502的击穿电压配置电压比较模块的预备电压阈值。
S2. 通过调整第三电阻505、第四电阻506和第五电阻507的阻值配置电压比较模块的泄放电压阈值。
在进一步的实施例中，基于电机异常保护电路的保护方法还包括：
S3. 当母线1电压低于预备电压阈值时，稳压单元502和第一截止元件504截止，驱动输出模块7和功能控制模块6均不上电。
S4. 当母线1电压高于预备电压阈值时，稳压单元502和第一截止元件504导通，母线1电压通过第一截止元件504输出到驱动输出模块7。
S5. 当母线1电压高于预备电压阈值，小于泄放电压阈值时，母线1电压经过第三电阻505输出到功能控制模块6后驱动第二截止元件601导通，母线1电压从第一截止元件504的输出端输出到地，驱动输出模块7关闭。
S6. 当母线1电压高于泄放电压阈值时，第四电阻506和第五电阻507分压产生的电压可以驱动第三截止元件602导通，第三电阻505接地，第二截止元件601截止，母线1电压从第一截止元件504的输出端输出到驱动输出模块7，驱动输出模块7开启。
在进一步的实施例中，基于电机异常保护电路的保护方法还包括：
S7. 当控制系统4正常工作时，控制系统4驱动第四截止元件604导通，母线1电压经过第四截止元件604接地，同时通过信号隔离单元702隔离电路的电压，保证电路的电压不会干扰控制系统4的控制信号。
S8. 当控制系统4失效时，第四截止元件604截止，母线1电压经过驱动输出模块7向泄放控制单元304的控制端输出，驱动泄放控制单元304导通，使电机绕组2接地，电机倒拖反转发电时产生的相电流会通过线圈绕组和泄放控制单元304直接接到地上，而不会继续给电容302充电，保证了母线1电压不会继续升高。
在如图4所示的实施例中，基于电机异常保护电路的保护方法还包括：S9. 当控制系统4失效时，第四截止元件604截止，母线1电压经过驱动输出模块7向辅助泄放单元8的控制端输出，驱动辅助泄放单元8导通，使电机绕组2接地，电机倒拖反转发电时产生的相电流会通过线圈绕组和辅助泄放单元8直接接到地上，而不会继续给电容302充电，保证了母线1电压不会继续升高。
在上述实施例中，第一电阻501、第二电阻503、第三电阻505、第四电阻506、第五电阻507、第六电阻701和第七电阻603均是至少一个电阻元件组成的电阻单元，如图4所示的实施例中第三电阻505采用的是两个电阻元件组成的电阻单元。
第一截止元件504、第二截止元件601、第三截止元件602、第四截止元件604均是具有控制电流通断功能的电子三极管或场效应管等控制元件。
供电控制单元303和泄放控制单元304均是具有控制电流通断功能的电子三极管或场效应管等控制元件。
信号隔离单元702是具有隔离预定值以下电压或电流信号的二极管等信号隔离元件。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。
Claims (12)
1.电机异常保护电路，包括：
驱动桥模块，连接母线和电机绕组；
其特征在于，所述驱动桥模块包括泄放控制单元，所述泄放控制单元被设置为接收泄放电压并将电机绕组接地；
保护电路还包括：驱动输出模块，连接驱动桥模块，被设置为向驱动桥模块输入泄放电压；
功能控制模块，与所述驱动输出模块连接，被设置为限制所述驱动输出模块向所述驱动桥模块输入所述泄放电压；
电压监测模块，用于监测母线的电压，分别与所述驱动输出模块和所述功能控制模块连接，被设置为当所述母线电压值大于等于泄放电压阈值时，禁用所述功能控制模块。
2.根据权利要求1所述电机异常保护电路，其特征在于，所述电压监测模块还被设置为：当母线电压超过预备电压阈值且未达到泄放电压阈值时，启用所述功能控制模块和所述驱动输出模块。
3.根据权利要求1所述电机异常保护电路，其特征在于，所述功能控制模块还包括禁止电路，分别与控制系统和驱动输出模块连接，所述禁止电路被设置为由控制系统对所述驱动输出模块输入控制指令。
4.根据权利要求1所述电机异常保护电路，其特征在于，所述泄放控制单元包括设于三相电机中至少一相电源线路上的MOSFET。
5.根据权利要求1所述电机异常保护电路，其特征在于，还包括辅助泄放单元，设置于驱动输出模块与驱动桥模块之间，所述辅助泄放单元的控制端与驱动输出模块连接，输入端与三相电机中至少一相电源线路连接。
6.根据权利要求1所述电机异常保护电路，其特征在于，所述电压监测模块包括：泄放电压配置单元和预备电压配置单元；
所述泄放电压配置单元，包括若干用于配置泄放电压阈值的电阻；
所述预备电压配置单元，包括若干用于配置预备电压阈值的电阻。
7.根据权利要求6所述电机异常保护电路，其特征在于，所述电压监测模块和功能控制模块还包括若干截止元件，被设置为控制不同的电压信号向所述驱动输出模块和所述功能控制模块的输入。
8.根据权利要求7所述电机异常保护电路，其特征在于，
所述预备电压配置单元包括：第一电阻、稳压单元、第二电阻和第三电阻；
所述第一电阻的输入端与母线连接，输出端与稳压单元的一端连接；
所述稳压单元的另一端接地；
所述第二电阻的输入端与第一电阻的输入端连接，输出端与第一截止元件的输入端连接；
所述第一截止元件的控制端与第一电阻的输出端连接；
所述第三电阻的输入端与第一电阻的输入端连接。
9.根据权利要求8所述电机异常保护电路，其特征在于，所述泄放电压配置单元包括：第一截止元件、第四电阻和第五电阻；
所述第一截止元件的输入端与第二电阻的输出端连接；
所述第四电阻的输入端与第一截止元件的输出端连接，输出端与第五电阻的输入端连接；
所述第五电阻的输出端接地；
当第一截止元件导通时，母线电压从第一截止元件的输出端输出到驱动输出模块。
10.根据权利要求9所述电机异常保护电路，其特征在于，所述功能控制模块包括：第二截止元件和第三截止元件；
所述第二截止元件的控制端与第三电阻的输出端连接，输入端与第一截止元件的输出端连接，输出端接地；
所述第三截止元件的控制端与第四电阻的输出端连接，输入端与第三电阻的输出端连接，输出端接地；
当第二截止元件导通时，母线电压从第一截止元件的输出端输出到地，驱动输出模块关闭；
当第三截止元件导通时，第三电阻接地，第二截止元件截止，母线电压从第一截止元件的输出端输出到驱动输出模块，驱动输出模块开启。
11.根据权利要求3所述电机异常保护电路，其特征在于，所述驱动输出模块包括第六电阻和信号隔离单元；
所述第六电阻的输入端与第一截止元件的输出端连接，输出端与信号隔离单元的输入端连接；
信号隔离单元的输出端与驱动桥模块连接，所述信号隔离单元被设置为隔离所述保护电路的电压信号对所述泄放控制单元的控制信号的干扰。
12.根据权利要求11所述电机异常保护电路，其特征在于，所述禁止电路还包括第七电阻和第四截止元件；
所述第七电阻的输入端与控制系统连接，输出端与第四截止元件的控制端连接；
所述第四截止元件的输入端与第六电阻的输出端连接，输出端接地。
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