CN113161984B - 双重过流保护电路及电动轮椅 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双重过流保护电路及电动轮椅，保护电路包括电流检测模块、比较模块、控制模块和开关模块，电流检测模块与电源、比较模块和控制模块分别相连，用于检测电源与负载之间的双向电流并输出电流信号至比较模块和控制模块；比较模块，用于在电流信号超过预设电流信号时输出第一过流保护信号至开关模块和控制模块；控制模块，用于在电流信号超过预设电流信号或者接收到第一过流保护信号时，控制负载停止工作和生成第二过流保护信号并输出至开关模块；开关模块与电流检测模块和负载分别相连，用于根据第一过流保护信号或第二过流保护信号切断电源与负载之间的供电回路。由此，能够实现对多种过流情况的保护，提高了过流保护的可靠性。

Description

双重过流保护电路及电动轮椅

技术领域

本发明涉及电动轮椅技术领域，尤其涉及一种双重过流保护电路及电动轮椅。

背景技术

对于电动轮椅的电机控制器或驱动器而言，过流和短路保护是非常重要的一项安全措施，其中过流保护一般需要检测负载电流，而后通过硬件或软件的方式关断输出来保护电机控制器及负载电机。

目前大多数电动轮椅的电机控制器的过流保护是采用低侧电流检测加软件保护的策略，该方式的硬件成本较低，但是对电路的过流保护效果却极其有限，例如当电机本体内部或线圈与外壳之间短路时，该方式不再适用。

为了应对电路和负载所有的过流场景，相关技术中提出了采用高侧电流检测加硬件保护的策略，以使保护电路能够快速响应，及时止损，但是在目前的高侧电流检测加硬件保护的策略中，硬件保护比较器的输出端一般直接连接至电机控制器的MCU，通过电机控制器的MCU实时响应和动作，从而关闭PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)输出，但是该方式只有在电机控制器的MOS(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor，金氧半场效晶体管)管未发生意外损坏或故障的前提下才能够生效。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的第一个目的在于提出一种双重过流保护电路，在高侧电流检测的基础上，附加了对开关模块的硬件控制，可以在出现过流故障时直接切断电源与负载之间的供电回路，从而实现对多种过流情况的及时保护，提高了过流保护的可靠性，最大程度地保证了电路及负载的安全。

本发明的第二个目的在于提出一种电动轮椅。

为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种双重过流保护电路，包括：电流检测模块、比较模块、控制模块和开关模块，电流检测模块与电源、比较模块和控制模块分别相连，用于检测电源与负载之间的双向电流并输出电流信号至比较模块和控制模块；比较模块与开关模块和控制模块分别相连，用于在电流信号超过预设电流信号时输出第一过流保护信号至开关模块和控制模块；控制模块与开关模块和负载分别相连，用于在电流信号超过预设电流信号或者接收到第一过流保护信号时，控制负载停止工作和生成第二过流保护信号并输出至开关模块；开关模块与电流检测模块和负载分别相连，用于根据第一过流保护信号或第二过流保护信号切断电源与负载之间的供电回路。

根据本发明实施例的双重过流保护电路，通过电流检测模块检测电源与负载之间的双向电流并输出电流信号至比较模块和控制模块，并通过比较模块对电流信号和预设电流信号进行比较，并在电流信号超过预设电流信号时输出第一过流保护信号至开关模块和控制模块，以及通过控制模块在电流信号超过预设电流信号或者接收到第一过流保护信号时，控制负载停止工作和生成第二过流保护信号并输出至开关模块，而后开关模块根据第一过流保护信号或第二过流保护信号切断电源与负载之间的供电回路，由此，在高侧电流检测的基础上，附加了对开关模块的硬件控制，可以在出现过流故障时直接切断电源与负载之间的供电回路，从而实现对多种过流情况的保护，提高了过流保护的可靠性，最大程度地保证了电路及负载的安全。

根据本发明的一个实施例，电流检测模块包括：采样电阻，采样电阻的一端与电源的正极相连，采样电阻的另一端与开关模块相连。

根据本发明的另一个实施例，电流检测模块还包括：运算放大器，运算放大器的第一输入端与采样电阻的一端相连，运算放大器的第二输入端与采样电阻的另一端相连；滤波电路，滤波电路的一端与运算放大器的输出端相连，滤波电路的另一端与比较模块和控制模块分别相连。

根据本发明的一个实施例，滤波电路为RC电路。

根据本发明的一个实施例，比较模块包括：比较器，比较器的正输入端与参考信号相连，比较器的负输入端与电流检测模块相连，比较器的输出端与开关模块和控制模块分别相连；第一电阻，第一电阻的一端与比较器的输出端相连，第一电阻的另一端与第一预设电源相连；第一电容，第一电容的一端与比较器的输出端相连，第一电容的另一端接地。

根据本发明的一个实施例，开关模块包括：逻辑电路，逻辑电路的第一输入端与比较模块相连，逻辑电路的第二输入端与控制模块相连；继电器电路，继电器电路与逻辑电路的输出端、电流检测模块和负载分别相连。

根据本发明的另一个实施例，逻辑电路为与门电路。

根据本发明的另一个实施例，继电器电路包括继电器驱动电路和继电器，继电器驱动电路包括：第二电阻，第二电阻的一端与逻辑电路的输出端相连；第三电阻，第三电阻的一端与第二电阻的另一端相连，第三电阻的另一端接地；驱动芯片，驱动芯片的输入端与第二电阻的另一端相连，驱动芯片的输出端与继电器线圈的一端相连，继电器线圈的另一端与第二预设电源相连，继电器开关的一端与电流检测模块相连，继电器开关的另一端与负载相连；第一二极管，第一二极管的阳极与驱动芯片的输出端相连，第一二极管的阴极与第二预设电源相连；第二电容，第二电容的一端与第一二极管的阴极相连，第二电容的另一端接地。

根据本发明的一个实施例，负载包括电压转换电路，控制模块还与电压转换电路相连，用于在电流信号超过预设电流信号或者接收到第一过流保护信号时停止输出控制信号至电压转换电路。

为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种电动轮椅，包括如第一方面实施例的双重过流保护电路。

根据本发明实施例的电动轮椅，通过上述的双重过流保护电路，能够实现对多种过流情况的保护，从而提高了过流保护的可靠性，最大程度地保证了电动轮椅的安全。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为根据本发明一个实施例的双重过流保护电路的结构示意图；

图2为根据本发明一个实施例的双重过流保护电路的电路图；

图3为根据本发明一个实施例的电动轮椅的方框示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述本发明实施例提出的双重过流保护电路及电动轮椅。

图1为根据本发明一个实施例的双重过流保护电路的结构示意图。参考图1所示，该双重过流保护电路包括：电流检测模块100、比较模块200、控制模块300和开关模块400。

其中，电流检测模块100与电源500、比较模块200和控制模块300分别相连，用于检测电源500与负载600之间的双向电流并输出电流信号至比较模块200和控制模块300；比较模块200与开关模块400和控制模块300分别相连，用于在电流信号超过预设电流信号时输出第一过流保护信号至开关模块400和控制模块300；控制模块300与开关模块400和负载600分别相连，用于在电流信号超过预设电流信号或者接收到第一过流保护信号时，控制负载600停止工作和生成第二过流保护信号并输出至开关模块400；开关模块400与电流检测模块100和负载600分别相连，用于根据第一过流保护信号或第二过流保护信号切断电源500与负载600之间的供电回路。

具体来说，电流检测模块100位于电流高侧端，用于实时监测电源500与负载600之间的双向电流，并将检测获得的电流信号分别传输至比较模块200和控制模块300。需要说明的是，本申请中的双向电流包括能量正向传输时电源500流向负载600的负载电流，以及能量反向传输时负载600流量电源500的回馈电流。举例来说，当该双重过流保护电路应用于电动轮椅时，负载600包括电机和用于驱动电机的驱动电路(如逆变电路)，且该驱动电路和电机具有能量回馈功能，相应的双向电流包括电源500流向驱动电路和电机的负载电流，以及能量回馈状态下电机通过驱动电路流向电源500的回馈电流。在该示例中，在过流检测时，由于检测的是高侧电流，因此能够实现对负载600的短路保护，例如当其应用于电动轮椅时，通过检测高侧电流进行过流保护，能够实现对电机本体内部或线圈与外壳之间的短路保护。

比较模块200在接收到检测获得的电流信号后，将其与预设电流信号进行比较，当检测获得的电流信号高于预设电流信号时，说明电路或负载发生过流或短路故障，此时比较模块200向控制模块300和开关模块400分别输出第一过流保护信号。

控制模块300在接收到检测获得的电流信号后，将其与预设电流信号进行比较，当检测获得的电流信号高于预设电流信号时，说明电路或负载发生过流或短路故障，此时控制模块300控制负载600停止工作，同时生成第二过流保护信号并输出至开关模块400，而当控制模块300接收到第一过流保护信号时，基于该第一过流保护信号控制负载600停止工作，同时生成第二过流保护信号并输出至开关模块400，也就是说，控制模块300可基于电流信号或者第一过流保护信号对负载600进行控制以及生成第二过流保护信号至开关模块400，这样可以在比较模块200发生故障时，直接基于电流信号进行过流保护。

开关模块400在接收到第一过流保护信号或第二过流保护信号后，切断电源500与负载600之间的供电回路，这样可以在控制模块300发生故障时，直接通过比较模块200进行过流保护，并且当负载600因故障无法停止工作时，通过开关模块400切断电源500与负载600之间的供电回路可进行过流保护，例如，当该双重过流保护电路应用于电动轮椅时，当驱动电路的MOS管出现短路及故障等时，通过开关模块400切断电源500与负载600之间的供电回路可对电源、驱动电路以及电机进行保护，也就是说，在发生过流或短路的情况下，比较模块200输出的第一过流保护信号将触发控制模块300在极短的时间内快速响应，以关闭驱动电路的控制信号，而如果此时驱动电路中的MOS发生损坏、不可控或其它意外情况，连接到开关模块400的比较模块200输出的第一过流保护信号以及控制模块300输出的第二过流保护信号也可以在这种情况下切断电源500，从而保证驱动电路和电机的安全，最大程度地保证了电路及负载的安全。

根据本发明实施例的双重过流保护电路，在高侧电流检测的基础上，附加了对开关模块的硬件控制，可以在出现短路或过流故障时直接切断电源与负载之间的供电回路，从而实现对多种过流情况的保护，提高了过流保护的可靠性，最大程度保证电路及负载的安全。

在本发明的一些实施例中，如图2所示，电流检测模块100包括：采样电阻RS，采样电阻RS的一端与电源500的正极相连，采样电阻RS的另一端与开关模块400相连。由此，通过采样电阻RS可以实时采集电源500与负载600之间的双向电流。可选的，采样电阻RS为高精度低温漂电流采样电阻，通过该电阻可提高电流采样的精度。

进一步的，电流检测模块100还包括：运算放大器OP和滤波电路110，其中，运算放大器OP的第一输入端与采样电阻RS的一端相连，运算放大器OP的第二输入端与采样电阻RS的另一端相连；滤波电路110的一端与运算放大器OP的输出端相连，滤波电路110的另一端与比较模块200和控制模块300分别相连。由此，可通过运算放大器OP将采样获得的双向电流进行放大处理后，经滤波电路110滤波处理后输出至比较模块200和控制模块300，实现电源500与负载600之间的双向电流的准确、可靠采样检测。

可选的，运算放大器OP为差分运算放大器，滤波电路110为RC电路。进一步的，滤波电路110具体包括滤波电阻R和滤波电容C，其中，滤波电阻R的一端与运算放大器OP的输出端相连，滤波电阻R的另一端与比较模块200和控制模块300分别相连；滤波电容C的一端与所述滤波电阻R的另一端相连，滤波电容C的另一端接地GND。

在本发明的一些实施例中，如图2所示，比较模块200包括：比较器CP、第一电阻R1和第一电容C1，其中，比较器CP的正输入端与参考信号(如3.3V)相连，比较器CP的负输入端与电流检测模块100相连，比较器CP的输出端与开关模块400和控制模块300分别相连；第一电阻R1的一端与比较器CP的输出端相连，第一电阻R1的另一端与第一预设电源VCC1相连；第一电容C1的一端与比较器CP的输出端相连，第一电容C1的另一端接地GND。

具体来说，如图2所示，运算放大器OP输出的电流信号通过比较器CP的负端输入，比较器CP将输入的电流信号转化为电压信号并与比较器CP正输入端的参考信号(如3.3V)进行比较，当比较器CP负输入端的电压信号低于比较器CP正输入端的参考信号(如3.3V)时，表示无短路或过流故障，比较器CP输出端输出高电平至开关模块400和控制模块300；当比较器CP负输入端的电压信号高于比较器CP正输入端的参考信号(如3.3V)时，说明发生短路或过流故障，此时比较器CP输出端输出低电平至开关模块400和控制模块300，即输出第一过流保护信号至开关模块400和控制模块300。

在本发明的一些实施例中，如图2所示，开关模块400包括：逻辑电路410和继电器电路420，逻辑电路410的第一输入端与比较模块200相连，逻辑电路410的第二输入端与控制模块300相连；继电器电路420与逻辑电路410的输出端、电流检测模块100和负载600分别相连。可选的，逻辑电路410为与门电路，具体可根据比较模块100输出的第一过流保护信号和控制模块300输出的第二过流保护信号确定。

具体来说，以逻辑电路410为与门电路为例，由于逻辑电路410为与门电路，只有保证其两个输入端均为高电平时，才能保证逻辑电路410的输出也为高电平，若其中一个端口输入为低电平，则逻辑电路410的最终输出为低电平，因此当比较模块200输出低电平的第一过流保护信号或者控制模块300输出低电平的第二过流保护信号时，逻辑电路410都将输出为低电平，而后继电器电路420将根据该低电平进行电源500的切断。

需要说明的是，由于开关模块400采用逻辑电路410和继电器电路420，元器件使用更少，结构更简单，因此能够有效减少故障率，进一步提高过流保护的可靠性。

进一步的，继续参考图2所示，继电器电路420包括继电器驱动电路421和继电器422，继电器驱动电路421包括：第二电阻R2、第三电阻R3、驱动芯片423、第一二极管D1和第二电容C2，其中，第二电阻R2的一端与逻辑电路410的输出端相连；第三电阻R3的一端与第二电阻R2的另一端相连，第三电阻R3的另一端接地GND；驱动芯片423的输入端与第二电阻R2的另一端相连，驱动芯片423的输出端与继电器线圈L的一端相连，继电器线圈L的另一端与第二预设电源VCC2相连，继电器开关K的一端与电流检测模块100相连，继电器开关K的另一端与负载600相连；第一二极管D1的阳极与驱动芯片423的输出端相连，第一二极管D1的阴极与第二预设电源VCC2相连；第二电容C2的一端与第一二极管D1的阴极相连，第二电容C2的另一端接地GND。

需要说明的是，继电器422可为大功率继电器，第二电阻R2为限流电阻，第三电阻R3为上拉电阻，第一二极管D1为续流二极管，第二电容C2为滤波电容。

具体来说，如图2所示，逻辑电路410输出的高电平或者低电平会使驱动芯片423处于不同的工作状态，进而控制继电器开关K的断开与闭合，从而控制供电回路的通断。其中，当逻辑电路410输出高电平时，驱动芯片423将输出低电平以给继电器线圈L供电，继电器线圈L得电会控制继电器开关K闭合，电路接通，电源500给负载600供电；当逻辑电路410输出高电平时，驱动芯片423将输出高电平以停止给继电器线圈L供电，继电器线圈L失电使得继电器开关K断开，电源500与负载600之间的供电回路断开，电源500停止给负载600供电，从而可以实现通过切断电源500与负载600之间的供电回路进行过流保护。

在本发明的一些实施例中，如图2所示，负载600包括电压转换电路610，控制模块300还与电压转换电路610相连，用于在电流信号超过预设电流信号或者接收到第一过流保护信号时停止输出控制信号至电压转换电路610。

具体来说，当该双向过流保护电路应用于电动轮椅时，该电压转换电路610可为电机的驱动电路(如逆变电路)，此时，控制模块300可以为电机控制器中的MCU，但其集成有本申请中控制模块300所具有的功能，因此在发生短路或过流故障时，控制模块300在电流信号超过预设电流信号或者接收到第一过流保护信号时，通过停止输出控制信号至电压转换电路610，可控制整个负载600停止工作。

综上所述，本申请在高侧电流检测的基础上，附加了开关模块的硬件控制，可以在出现短路或过流故障时直接切断电源与负载之间的供电回路，同时可以通过控制模块直接控制负载停止工作，以及在开关模块、比较模块和控制模块相互配合下，实现了各种场景下的过流保护，因此通本申请的双重过流保护电路能够实现对多种过流情况的保护，提高了过流保护的可靠性，最大程度保证电路及负载的安全。

图3为根据本发明一个实施例的电动轮椅的方框示意图，参考图3所示，该电动轮椅10000，包括上述的双重过流保护电路1000。

根据本发明实施例的电动轮椅，通过上述的双重过流保护电路，能够实现对多种过流情况的保护，从而提高了过流保护的可靠性，最大程度地保证了电动轮椅的安全。

需要说明的是，在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种双重过流保护电路，其特征在于，包括：电流检测模块、比较模块、控制模块和开关模块，

所述电流检测模块与电源、所述比较模块和所述控制模块分别相连，用于检测所述电源与负载之间的双向电流并输出电流信号至所述比较模块和所述控制模块；

所述比较模块与所述开关模块和所述控制模块分别相连，用于在所述电流信号超过预设电流信号时输出第一过流保护信号至所述开关模块和所述控制模块；

所述控制模块与所述开关模块和所述负载分别相连，用于在所述电流信号超过所述预设电流信号或者接收到所述第一过流保护信号时，控制所述负载停止工作和生成第二过流保护信号并输出至所述开关模块；

所述开关模块与所述电流检测模块和所述负载分别相连，用于根据所述第一过流保护信号或所述第二过流保护信号切断所述电源与所述负载之间的供电回路；

所述开关模块包括：

逻辑电路，所述逻辑电路的第一输入端与所述比较模块相连，所述逻辑电路的第二输入端与所述控制模块相连；

继电器电路，所述继电器电路与所述逻辑电路的输出端、所述电流检测模块和所述负载分别相连；所述逻辑电路为与门电路；

所述继电器电路包括继电器驱动电路和继电器，所述继电器驱动电路包括：

第二电阻，所述第二电阻的一端与所述逻辑电路的输出端相连；

第三电阻，所述第三电阻的一端与所述第二电阻的另一端相连，所述第三电阻的另一端接地；

驱动芯片，所述驱动芯片的输入端与所述第二电阻的另一端相连，所述驱动芯片的输出端与继电器线圈的一端相连，所述继电器线圈的另一端与第二预设电源相连，继电器开关的一端与所述电流检测模块相连，所述继电器开关的另一端与所述负载相连；

第一二极管，所述第一二极管的阳极与所述驱动芯片的输出端相连，所述第一二极管的阴极与所述第二预设电源相连；

第二电容，所述第二电容的一端与所述第一二极管的阴极相连，所述第二电容的另一端接地。

2.如权利要求1所述的双重过流保护电路，其特征在于，所述电流检测模块包括：

采样电阻，所述采样电阻的一端与所述电源的正极相连，所述采样电阻的另一端与所述开关模块相连。

3.如权利要求2所述的双重过流保护电路，其特征在于，所述电流检测模块还包括：

运算放大器，所述运算放大器的第一输入端与所述采样电阻的一端相连，所述运算放大器的第二输入端与所采样电阻的另一端相连；

滤波电路，所述滤波电路的一端与所述运算放大器的输出端相连，所述滤波电路的另一端与所述比较模块和所述控制模块分别相连。

4.如权利要求3所述的双重过流保护电路，其特征在于，所述滤波电路为RC电路。

5.如权利要求1所述的双重过流保护电路，其特征在于，所述比较模块包括：

比较器，所述比较器的正输入端与参考信号相连，所述比较器的负输入端与所述电流检测模块相连，所述比较器的输出端与所述开关模块和所述控制模块分别相连；

第一电阻，所述第一电阻的一端与所述比较器的输出端相连，所述第一电阻的另一端与第一预设电源相连；

第一电容，所述第一电容的一端与所述比较器的输出端相连，所述第一电容的另一端接地。

6.如权利要求1所述的双重过流保护电路，其特征在于，所述负载包括电压转换电路，所述控制模块还与所述电压转换电路相连，用于在所述电流信号超过所述预设电流信号或者接收到所述第一过流保护信号时停止输出控制信号至所述电压转换电路。

7.一种电动轮椅，其特征在于，包括如权利要求1-6中任一项所述的双重过流保护电路。

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