CN113241731A - 一种三相无刷直流电机的过流保护电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及过流保护电路，具体涉及一种三相无刷直流电机的过流保护电路，能够同时应用于电机堵转、过载的情况，当电机处于过载的工作状态时，通过调节PWM信号的占空比能够使得电机工作电流下降，在不损坏驱动模块的前提下，仍能根据负载情况输出最大功率；通过调节PWM信号的占空比能够实现对比较模块中参考电压地有效调节，使得过流保护电路可以适用于不同的驱动模块和无刷直流电机，为后续升级换代提供便利；本发明提供的技术方案能够有效克服现有技术所存在的不能对电压比较模块中的参考电压进行有效调节、电机负载过大时无法输出转矩的缺陷。

Description

一种三相无刷直流电机的过流保护电路
技术领域
本发明涉及过流保护电路，具体涉及一种三相无刷直流电机的过流保护电路。
背景技术
无刷直流电机主要由电机主体和驱动模块组成，使用电子开关代替传统换向器，换向时不存在火花、无线电干扰、噪声等，没有磨损并且使用寿命长，使得无刷直流电机被各行业所使用，例如：睡眠呼吸机中的风机。
但是，现有无刷直流电机不具备自动过流保护的功能。以睡眠呼吸机中的风机为例，当风机中有异物进入时，由于要控制出风口压力一定，在相同的PID算法下，可能导致风机输出功率变大，相电流增大；也可能导致风机堵转，无刷直流电机无法将电能转换为动能，此时无刷直流电机的相电流只取决于相电阻，相电流非常大。两种情况下都会导致相电流增大，这将使得驱动芯片、驱动开关管发热量增加，不加以控制的话，就会烧坏驱动芯片和驱动开关管。
现有技术中，通过对电压采样的电压与电压比较模块的参考电压进行比较，输出一个控制信号控制过流保护电路，过流保护电路控制驱动模块输出关闭。
上述现有技术中存在以下缺点：1)更换驱动开关管型号或者电机型号后，需要重新适配电压比较模块中的参考电压，硬件更换非常麻烦；2)如果电机负载过大，将直接关闭驱动模块，无法输出转矩。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术所存在的上述缺点，本发明提供了一种三相无刷直流电机的过流保护电路，能够有效克服现有技术所存在的不能对电压比较模块中的参考电压进行有效调节、电机负载过大时无法输出转矩的缺陷。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种三相无刷直流电机的过流保护电路，包括
驱动模块，与控制单元相连，用于驱动电机并向控制单元发送霍尔信号；
电流采样电路，与驱动模块相连，用于将电机工作时的电流信号转换为电压信号，并将电压信号输入放大模块、比较模块；
放大模块，用于对电压信号进行放大，并将放大后的电压信号输入控制单元；
比较模块，用于将控制单元发送的PWM信号转化为参考电压，并将参考电压与电压信号的比较结果发送至控制单元；
控制单元，用于根据霍尔信号、放大后的电压信号、比较模块的比较结果判定电机当前工作状态，并通过驱动模块、调节PWM信号的占空比切换电机工作状态。
优选地，所述放大模块包括同相放大器U2，所述同相放大器U2的同相输入端接入电压信号ISUM，所述同相放大器U2的反相输入端连接输出端，所述同相放大器U2的输出端向控制单元U3输入放大后的电压信号VSUM。
优选地，所述放大模块还包括提供偏置电压的电压跟随电路，所述电压跟随电路包括电压跟随器U4，所述电压跟随器U4的同相输入端接入分压电阻R10、R11，所述电压跟随器U4的反相输入端连接输出端，所述电压跟随器U4的输出端连接同相放大器U2的反相输入端。
优选地，所述比较模块包括电压比较器U1，所述电压比较器U1的同相输入端通过低通滤波器接入控制单元U3发送的PWM信号，所述电压比较器U1的反相输入端接入电压信号ISUM，所述电压比较器U1的输出端连接控制单元U3。
优选地，所述低通滤波器包括电阻R2、电容C1组成的RC低通滤波器。
优选地，所述电压比较器U1的输出端与控制单元U3之间连接有上拉电阻R1、限流电阻R4。
优选地，所述电流采样电路包括与驱动模块三相输出端相连的电阻R3。
优选地，所述驱动模块中的霍尔信号电路连接控制单元U3的PWM信号输入端、电机中的霍尔传感器，所述控制单元U3的PWM信号输出端连接驱动模块中三相逆变电路的输入控制端。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明所提供的一种三相无刷直流电机的过流保护电路，能够同时应用于电机堵转、过载的情况，当电机处于过载的工作状态时，通过调节PWM信号的占空比能够使得电机工作电流下降，在不损坏驱动模块的前提下，仍能根据负载情况输出最大功率；通过调节PWM信号的占空比能够实现对比较模块中参考电压地有效调节，使得过流保护电路可以适用于不同的驱动模块和无刷直流电机，为后续升级换代提供便利。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中各电路模块的连接示意图；
图2为本发明图1中各电路模块的具体电路连接示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种三相无刷直流电机的过流保护电路，如图1和图2所示，包括
驱动模块，与控制单元相连，用于驱动电机并向控制单元发送霍尔信号；
电流采样电路，与驱动模块相连，用于将电机工作时的电流信号转换为电压信号，并将电压信号输入放大模块、比较模块；
放大模块，用于对电压信号进行放大，并将放大后的电压信号输入控制单元；
比较模块，用于将控制单元发送的PWM信号转化为参考电压，并将参考电压与电压信号的比较结果发送至控制单元；
控制单元，用于根据霍尔信号、放大后的电压信号、比较模块的比较结果判定电机当前工作状态，并通过驱动模块、调节PWM信号的占空比切换电机工作状态。
驱动模块中的霍尔信号电路连接控制单元U3的PWM信号输入端、电机中的霍尔传感器，控制单元U3的PWM信号输出端连接驱动模块中三相逆变电路的输入控制端。
如图2所示，驱动模块中3路霍尔信号电路与控制单元U3的3路输入捕获通道MCU_PWM_IN*3相连，驱动模块中霍尔信号电路与无刷直流电机中的霍尔传感器相连，控制单元U3通过霍尔信号变化获取电机转速。控制单元的6路PWM信号输出端MCU_PWM*6连接驱动模块中三相逆变电路的输入控制端。
电流采样电路包括与驱动模块三相输出端相连的电阻R3。
无刷直流电机的电流通过电阻R3采样转换为电压信号ISUM，电流采样电路的输出分为两路，一路与比较模块的输入端相连，另一路与放大模块的输入端相连。
放大模块包括同相放大器U2，同相放大器U2的同相输入端接入电压信号ISUM，同相放大器U2的反相输入端连接输出端，同相放大器U2的输出端向控制单元U3输入放大后的电压信号VSUM。
放大模块还包括提供偏置电压的电压跟随电路，电压跟随电路包括电压跟随器U4，电压跟随器U4的同相输入端接入分压电阻R10、R11，电压跟随器U4的反相输入端连接输出端，电压跟随器U4的输出端连接同相放大器U2的反相输入端。
电压信号ISUM的一路进入由同相放大器U2、电阻R5、电容C2、电阻R7、电阻R8、电阻R6、电压跟随器U4、电容C3、电阻R11和电阻R10组成的同相比例放大电路。
分压电阻R10、R11将VCC分压后通过电压跟随器U4给同相放大器U2提供偏置电压，放大模块的输出端与控制单元U3的MCU_ADC相连，控制单元U3监控放大后的电压信号VSUM。
比较模块包括电压比较器U1，电压比较器U1的同相输入端通过低通滤波器接入控制单元U3发送的PWM信号，电压比较器U1的反相输入端接入电压信号ISUM，电压比较器U1的输出端连接控制单元U3。
低通滤波器包括电阻R2、电容C1组成的RC低通滤波器。
电压比较器U1的输出端与控制单元U3之间连接有上拉电阻R1、限流电阻R4。
电压信号ISUM的一路与电压比较器U1的反相输入端相连，控制单元U3输出PWM信号，通过电阻R2、电容C1组成的深度低通滤波器，将PWM信号滤波成一个可控幅值电压信号(即参考电压)，其幅值取决于PWM信号的占空比，通过调节PWM信号的占空比能够实现对比较模块中参考电压地有效调节，使得过流保护电路可以适用于不同的驱动模块和无刷直流电机。
电压信号ISUM与参考电压比较，大于设定值时电压比较器U1输出低电平。电压比较器U1的输出经过上拉电阻R1上拉后，再经过限流电阻R4与控制单元U3的MCU_IN连接。
本申请技术方案中，当无刷直流电机出现堵转时，控制单元U3通过判断霍尔信号与放大后的电压信号VSUM，停止输出控制信号到驱动模块，使得驱动模块停止工作，关闭无刷直流电机；
当无刷直流电机出现过载时，控制单元U3通过判断霍尔信号、放大后的电压信号VSUM与比较模块的输出信号，调节控制信号PWM的占空比，使得无刷直流电机的电流下降，让电机工作在额定功率下，输出额定扭矩。
本申请技术方案中，控制单元U3可采用STM32f103，驱动模块可采用IR2101预驱模块。
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，并不会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 (8)

1.一种三相无刷直流电机的过流保护电路，其特征在于：包括
驱动模块，与控制单元相连，用于驱动电机并向控制单元发送霍尔信号；
电流采样电路，与驱动模块相连，用于将电机工作时的电流信号转换为电压信号，并将电压信号输入放大模块、比较模块；
放大模块，用于对电压信号进行放大，并将放大后的电压信号输入控制单元；
比较模块，用于将控制单元发送的PWM信号转化为参考电压，并将参考电压与电压信号的比较结果发送至控制单元；
控制单元，用于根据霍尔信号、放大后的电压信号、比较模块的比较结果判定电机当前工作状态，并通过驱动模块、调节PWM信号的占空比切换电机工作状态。
2.根据权利要求1所述的三相无刷直流电机的过流保护电路，其特征在于：所述放大模块包括同相放大器U2，所述同相放大器U2的同相输入端接入电压信号ISUM，所述同相放大器U2的反相输入端连接输出端，所述同相放大器U2的输出端向控制单元U3输入放大后的电压信号VSUM。
3.根据权利要求2所述的三相无刷直流电机的过流保护电路，其特征在于：所述放大模块还包括提供偏置电压的电压跟随电路，所述电压跟随电路包括电压跟随器U4，所述电压跟随器U4的同相输入端接入分压电阻R10、R11，所述电压跟随器U4的反相输入端连接输出端，所述电压跟随器U4的输出端连接同相放大器U2的反相输入端。
4.根据权利要求2所述的三相无刷直流电机的过流保护电路，其特征在于：所述比较模块包括电压比较器U1，所述电压比较器U1的同相输入端通过低通滤波器接入控制单元U3发送的PWM信号，所述电压比较器U1的反相输入端接入电压信号ISUM，所述电压比较器U1的输出端连接控制单元U3。
5.根据权利要求4所述的三相无刷直流电机的过流保护电路，其特征在于：所述低通滤波器包括电阻R2、电容C1组成的RC低通滤波器。
6.根据权利要求4所述的三相无刷直流电机的过流保护电路，其特征在于：所述电压比较器U1的输出端与控制单元U3之间连接有上拉电阻R1、限流电阻R4。
7.根据权利要求2或4所述的三相无刷直流电机的过流保护电路，其特征在于：所述电流采样电路包括与驱动模块三相输出端相连的电阻R3。
8.根据权利要求7所述的三相无刷直流电机的过流保护电路，其特征在于：所述驱动模块中的霍尔信号电路连接控制单元U3的PWM信号输入端、电机中的霍尔传感器，所述控制单元U3的PWM信号输出端连接驱动模块中三相逆变电路的输入控制端。
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