CN113488977B - 一种电机的热插拔保护装置和电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机的热插拔保护装置和电机，该装置包括：第一保护单元，包括：泄放模块和滤波模块；泄放模块和滤波模块，并联设置在第一端口与第二端口之间；其中，滤波模块，在电机控制板与开关电源之间接通的情况下，对电机控制板的直流输入端的输入信号进行滤波；泄放模块，在电机的热插拔操作中，在电机控制板与开关电源之间断开的情况下，使电机控制板的直流输入端形成泄放保护回路，对滤波模块中储存的能量进行释放；泄放模块的阻抗参数与泄放保护回路的总阻抗参数的差值，大于设定阈值。该方案，通过使电机控制器中的电容中积蓄能量在断电后能快速泄放，能够提升电机控制器的可靠性。

Description

一种电机的热插拔保护装置和电机

技术领域

本发明属于电机技术领域，具体涉及一种电机的热插拔保护装置和电机，尤其涉及一种防止电机热插拔故障停机的保护电路、以及具有该保护电路的电机。

背景技术

在电机控制器的生产线上，操作员工在电机试转时会出现带电拔插的操作，该操作称之为热插拔。在电机控制器设计中，会在电机控制器的直流输入端口放置电容，以抑制电机控制器的输入电压纹波及电磁干扰等。但在电机热插拔操作中，电机控制器中的电容中残存能量会导致电机的控制回路产生振荡电压而损伤电机驱动芯片。

上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种电机的热插拔保护装置和电机，以解决在电机热插拔操作中，电机控制器中的电容中残存能量会导致电机的控制回路产生振荡电压而损伤电机驱动芯片，影响电机控制器的可靠性的问题，达到通过使电机控制器中的电容中积蓄能量在断电后能快速泄放，避免电机控制器中的电容中残存能量会导致电机的控制回路产生振荡电压而损伤电机驱动芯片，能够提升电机控制器的可靠性的效果。

本发明提供一种电机的热插拔保护装置中，所述电机，具有控制板，记作电机控制板；在所述电机控制板上，设置有N个端口，N为正整数；所述N个端口，能够连接至所述电机的开关电源；所述N个端口，包括：第一端口和第二端口；所述电机的热插拔保护装置，包括：第一保护单元；所述第一保护单元，包括：泄放模块和滤波模块；所述泄放模块和所述滤波模块，并联设置在所述第一端口与所述第二端口之间；其中，所述滤波模块，被配置为在所述电机控制板与所述开关电源之间接通的情况下，对所述电机控制板的直流输入端的输入信号进行滤波；所述泄放模块，被配置为在所述电机的热插拔操作中，在所述电机控制板与所述开关电源之间断开的情况下，使所述电机控制板的直流输入端形成泄放保护回路，对所述滤波模块中储存的能量进行释放；所述泄放模块的阻抗参数与所述泄放保护回路的总阻抗参数的差值，大于设定阈值。

在一些实施方式中，所述泄放模块和所述滤波模块，沿所述电机控制板的直流输入端的输入信号的流向，布置在所述开关电源与所述电机控制板之间。

在一些实施方式中，所述泄放模块，包括：电阻模块；所述滤波模块，包括：电容模块。

在一些实施方式中，所述第一端口，为所述电机控制板的母线电压端口；所述第二端口，为接地端口。

在一些实施方式中，所述N个端口，还包括：第三端口和第四端口；所述电机的热插拔保护装置，还包括：第二保护单元；所述第二保护单元，设置在所述第三端口与所述第四端口之间，被配置为在所述电机的热插拔操作中，在所述电机控制板与所述开关电源断开之后再次接通的情况下，对所述电机控制板的直流输入端的输入信号进行稳压处理。

在一些实施方式中，所述第二保护单元，包括：稳压二极管。

在一些实施方式中，所述第二保护单元，包括：TVS二极管。

在一些实施方式中，所述第三端口，为直流电源端口；所述第四端口，为所述电机的参考转速给定端口。

在一些实施方式中，所述N个端口，还包括：第五端口；所述第五端口，为所述电机的实际转速反馈端口。

与上述装置相匹配，本发明再一方面提供一种电机，包括：以上所述的电机的热插拔保护装置。

由此，本发明的方案，通过在电机控制器的直流输入端（具体是在电机控制器的控制板的直流输入端）电容处并联泄放电阻，使得电机控制器中的电容中积蓄能量在断电后能经过大阻抗回路快速泄放；从而，通过使电机控制器中的电容中积蓄能量在断电后能快速泄放，避免电机控制器中的电容中残存能量会导致电机的控制回路产生振荡电压而损伤电机驱动芯片，能够提升电机控制器的可靠性。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为电机的调速系统在优化前的上电回路示意图；

图2为电机的调速系统在优化前断电示意图；

图3为电机的调速系统在优化前端口C与端口B间再次形成回路示意图；

图4为电机的调速系统中稳压二极管钳位前后端口C与端口B间电压示意图，其中，（a）为钳位前端口C与端口B间电压示意图，（b）为钳位后端口C与端口B间电压示意图；

图5为本发明的电机的热插拔保护装置的一实施例的结构示意图；

图6为电机的调速系统在优化后断电回路示意图。

结合附图，本发明实施例中附图标记如下：

1-开关电源；2-电机控制板的5根连接线；3-内置控制板；4-电机。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例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他实施例，都属于本发明保护的范围。

电机热插拔的操作次序如下：Ⅰ、电机运行达空载额定转速时，交流供电关闭；Ⅱ、电机续流运转时，将电机接线端口与直流供电主板分离；Ⅲ、电机接线端口插入直流供电主板，进行下一次电机试转。电机正常运行时，电容持续充电直至到达饱和电压，在执行完热插拔操作中的Ⅱ操作（即将电机接线端口与直流供电主板分离）后，电容开始放电，由于没有回路，其泄放时间漫长，当执行完热插拔操作中的Ⅲ操作（即电机接线端口插入直流供电主板）后，电容中残存能量会导致电机控制回路产生振荡电压，极易造成芯片损坏。

相关方案中，在电动汽车电机中，在高压电通电状态下，使用常闭开关将并联在滤波电容两端的电阻断开；在高压电断电状态时，常闭开关闭合，电阻并联在滤波电容两端进行泄放滤波电容电压，在常闭开关接通及断开状态切换瞬间，电机控制板中同样会存在滤波电容瞬间泄放电压而产生的尖峰振荡电压损伤电机芯片的问题。

相关方案中，在直流无刷电机中，在电机端子拔出后，电机控制板的RC浪涌吸收电路（即电阻R与电容C串联构成的RC缓冲电路），将定子绕组产生的瞬时高反电动势吸收；当RC浪涌吸收电路将反电动势吸收后，该浪涌吸收电路的四个电容上均存储大量电荷且控制板端子断开状态下不能构成回路，在重新接入端子时也会产生瞬时振荡电压损伤电机驱动芯片的情况。

一些方案中的保护方法为：在易损伤芯片端口前端设置稳压二极管，该稳压二极管反接可抑制瞬态高能量冲击从而保护后级电路，但稳压二极管选型取决于反向击穿电压和响应时间，当稳压二极管击穿电压取值高于过冲电压峰值，或过冲电压大于反向击穿电压的时间小于稳压二极管响应时间时，钳位保护电路失效，后级电路元件损坏。因此，电机热插拔时产生振荡电压导致故障停机的问题亟待解决。

图1为电机的调速系统在优化前的上电回路示意图。如图1所示，电机的调速系统，包括：开关电源1，电机控制板的5根连接线2，内置控制板3，以及电机4。电机控制板的5根连接线2，包括：端口A的连接线、端口B的连接线、端口C的连接线、端口D的连接线、端口E的连接线。在内置控制板3中，设置有电容C1。

图2为电机的调速系统在优化前断电示意图。图3为电机的调速系统在优化前端口C与端口B间再次形成回路示意图。图4为电机的调速系统中稳压二极管钳位前后端口C与端口B间电压示意图，其中，（a）为钳位前端口C与端口B间电压示意图，（b）为钳位后端口C与端口B间电压示意图。

图1~图4为电机的调速系统在优化前的上电和断电示意图。由稳压二极管的伏安特性曲线可知，稳压二极管从受到反向电压开始直至工作在击穿点需要一定的响应时间。当端口C对端口B的过冲电压值高于反向击穿电压的持续时间

，小于稳压二极管的响应时间时，过冲电压波形无法稳定在稳压二极管最大钳位电压，输入后级电路时超过芯片供电电压极限值，致使芯片损坏，电机停转。

根据本发明的实施例，提供了一种电机的热插拔保护装置。参见图5所示本发明的装置的一实施例的结构示意图。所述电机，具有控制板，记作电机控制板（如内置控制板3）。在所述电机控制板上，设置有N个端口，N为正整数。所述N个端口，能够连接至所述电机的开关电源。所述N个端口，包括：第一端口和第二端口。

所述电机的热插拔保护装置，包括：第一保护单元。所述第一保护单元，设置在所述第一端口与所述第二端口之间，被配置为在所述电机的热插拔操作中，在所述电机控制板与所述开关电源断开的情况下，使所述电机控制板的直流输入端形成泄放保护回路，对所述电机控制板的输入端储存的能量进行释放。

所述第一保护单元，包括：泄放模块和滤波模块。所述泄放模块和所述滤波模块，并联设置在所述第一端口与所述第二端口之间。

其中，所述滤波模块，被配置为在所述电机控制板与所述开关电源之间接通的情况下，对所述电机控制板的直流输入端的输入信号进行滤波。

所述泄放模块，被配置为在所述电机的热插拔操作中，在所述电机控制板与所述开关电源之间断开的情况下，使所述电机控制板的直流输入端形成泄放保护回路，对所述滤波模块中储存的能量进行释放。

所述泄放模块的阻抗参数与所述泄放保护回路的总阻抗参数的差值，大于设定阈值。

本发明的方案，提供一种防止电机热插拔故障停机的保护电路，在电机进行手工热插拔时，解决滤波电容在瞬时构成的回路里泄放电压产生尖峰振荡电压损伤电机驱动芯片的问题。

本发明的方案，通过在电机控制板（即电机控制器的控制板）的直流输入端电容处并联泄放电阻，使得电容中积蓄能量在断电后能经过大阻抗回路快速泄放，从而避免短期内再次形成回路后控制器内部元件损坏，提高产品可靠性。

在一些实施方式中，所述泄放模块和所述滤波模块，沿所述电机控制板的直流输入端的输入信号的流向，布置在所述开关电源与所述电机控制板之间。

具体地，本发明的方案，利用并联于滤波电容两端的电阻R1，在电阻R1的阻值远大于整个通电时高压回路总电阻时，高压回路在电阻R1之间流经电流很小，相当于断开状态。当外部输出断开时，由于电机控制板与外部电路断开，此时滤波电容两端电压可以通过并联的大阻值电阻R1进行快速泄放，从根源解决滤波电容两端电压残留在电机控制板，在进行手工热插拔瞬间，滤波电容在瞬时构成的回路里泄放电压产生尖峰振荡电压损伤电机驱动芯片的问题。

采用相关方案中使用常闭开关将并联在滤波电容两端的电阻断开的方法，不能解决本发明的方案所需解决的技术问题，因为在常闭开关接通及断开状态切换瞬间，电机控制板中同样会存在滤波电容瞬间泄放电压而产生的尖峰振荡电压损伤电机芯片的问题。并且，与该方案相比，本发明的方案，没有采用高压连接装置、连接开关等器件，成本低。可见，本发明的方案与该方案有着根本不同，解决的技术问题也涵盖了该方案所解决的问题，成本及通用性比该方案更优。

采用相关方案中利用电机控制板的RC浪涌吸收电路吸收瞬时高反电动势的方法，也不能解决本发明的方案所需解决的问题，因为当该方案所提RC浪涌吸收电路将反电动势吸收后，该浪涌吸收电路的四个电容上均存储大量电荷且控制板端子断开状态下不能构成回路，在重新接入端子时也会产生瞬时振荡电压损伤电机驱动芯片的情况。

在一些实施方式中，所述泄放模块，包括：电阻模块，如电阻R1。所述滤波模块，包括：电容模块，如电容C1。

本发明的方案，涉及具有泄放保护功能的电机驱动系统，该电机驱动系统由开关电源1、高压直流控制板（如内置控制板3）和电机4组成。其中，开关电源1，将交流电整流成直流电，给电机控制板（如内置控制板3）的直流母线端供电。电机控制板（如内置控制板3）内置于电机中，电机控制板的直流输入端设计有电容C1，以抑制电磁干扰并滤除电压纹波等。电容C1与电阻R1并联构成的泄放保护电路，开关电源1通过接线端子（如电机控制板的5根连接线2的接线端子）与电机控制板（如内置控制板3）连接。

图6为电机的调速系统在优化后断电回路示意图。如图6所示，在电机的调速系统中的内置控制板3中，设置有泄放保护电阻R1和电容C1。

在电机控制板上电后，电机控制板的直流输入端电容（如电容C1）会不断充电直至达到饱和电压，在拔去接线端子（如电机控制板的5根连接线2的接线端子）后，电容（如电容C1）中电压不可突变，经由电阻R1（即泄放保护电阻R1）形成回路快速泄放电容中储存能量。当电机控制板的直流输入端再次形成回路时，电机控制板的直流输入端的大阻抗回路发挥作用，避免电机控制板的直流输入端产生振荡电压导致的后级电路损坏，同时可抑制输入电机控制板的大电流，从而起到保护电路的作用。假设VDC与GND间等效电阻为A（实际可测量），保证电阻R1的阻值在10倍A以上即可。通过并联大电阻，一方面泄放输入端电容中储存能量，另一方面并联分流，从而保护后级主控芯片。

在一些实施方式中，所述第一端口，为所述电机控制板的母线电压端口。所述第二端口，为接地端口。

在一些实施方式中，所述N个端口，还包括：第三端口和第四端口。所述电机的热插拔保护装置，还包括：第二保护单元。

所述第二保护单元，设置在所述第三端口与所述第四端口之间，被配置为在所述电机的热插拔操作中，在所述电机控制板与所述开关电源断开之后再次接通的情况下，对所述电机控制板的直流输入端的输入信号进行稳压处理。

在本发明的方案中，在电机控制板的5根连接线的端口中，在端口C与端口B两极间反接稳压二极管基础上，通过在端口A与端口B两极间并联大电阻R1，以快速泄放电机控制板的直流输入端电容C1中储存巨大能量，从而保护后级电路。即，利用并联于滤波电容（即电容C1）两端的电阻R1，在电阻R1的阻值远大于整个通电时高压回路总电阻时，高压回路在电阻R1之间流经电流很小，相当于断开状态。当外部输出断开时，由于电机控制板与外部电路断开，此时滤波电容（即电容C1）两端电压可以通过一直并联的大阻值电阻（即电阻R1）进行快速泄放，从根源解决滤波电容两端电压残留电机控制板，在进行手工热插拔瞬间，避免滤波电容在瞬时构成的回路里泄放电压产生尖峰振荡电压损伤电机驱动芯片的问题。端口C与端口B两极，即端口C(VCC)与端口B(GND)两极。

当电机控制板上电后，端口A与端口B之间构成回路，同时并联电容（即电容C1）开始充电，如图1所示。在拔去连接端子（如电机控制板的5根连接线2的接线端子）后，电机控制板直流端无法形成回路，电容（即电容C1）中储存的巨大能量仅能从空气介质缓慢泄放（泄放时长达数小时），如图2所示。相关方案中，热插拔保护电路为在端口C与端口B两极间反接稳压二极管，当电机控制板的直流输入端再次形成回路时，根据二极管伏安特性曲线，在稳压二极管工作在击穿点上时，其两端电压会基本稳定在击穿电压附近，从而实现稳压功能，如图3所示。图4中，（a）为钳位前端口A对地振荡电压通过控制板内部电路串至端口C的过冲电压示意图，涉及过冲电压峰值。（b）为钳位后输出到芯片供电端口电压示意图，涉及稳压二极管最大钳位电压。大部分过冲电压波形均可被稳压在固定值，但存在过冲电压值高于反向击穿电压的持续时间

小于稳压二极管响应时间的现象，该现象会导致钳位保护电路失效，继而电机控制板损坏、电机停转。通过在端口A与端口B两极间并联大电阻（即电阻R1），拔去接线端子后，电机控制板输入端会形成泄放保护回路对电容（即电容C1）中储存能量进行快速释放（回路如图6所示），使得电机控制板的直流输入端再次形成回路时，电机仍能正常运行。

在一些实施方式中，所述第二保护单元，包括：稳压二极管。

在一些实施方式中，所述第二保护单元，包括：TVS二极管。

在上述实施方式中，使用响应时间短的二极管，如TVS二极管（瞬态二极管）等，配合电路，替代普通稳压二极管执行稳压功能。

在一些实施方式中，所述第三端口，为直流电源端口。所述第四端口，为所述电机的参考转速给定端口。

在一些实施方式中，所述N个端口，还包括：第五端口。所述第五端口，为所述电机的实际转速反馈端口。

其中，端口A为Vdc端口（即母线电压端口），端口B为GND端口（即接地端），端口C为VCC端口（即控制板的控制芯片的供电电源端口），端口D为Vsp端口（即电机的参考转速给定端口），端口E为FG端口（即电机的实际转速反馈端口）。

本发明的方案，针对内置控制板热插拔保护场合提出，内置对于控制板尺寸及元器件大小均有要求，权衡考虑生产工艺等各因素，该方案为一种高效的防止电机热插拔故障停机的方法。

经大量的试验验证，采用本发明的技术方案，通过在电机控制器的直流输入端（具体是在电机控制器的控制板的直流输入端）电容处并联泄放电阻，使得电机控制器中的电容中积蓄能量在断电后能经过大阻抗回路快速泄放；从而，通过使电机控制器中的电容中积蓄能量在断电后能快速泄放，避免电机控制器中的电容中残存能量会导致电机的控制回路产生振荡电压而损伤电机驱动芯片，能够提升电机控制器的可靠性。

根据本发明的实施例，还提供了对应于电机的热插拔保护装置的一种电机。该电机可以包括：以上所述的电机的热插拔保护装置。

由于本实施例的电机所实现的处理及功能基本相应于前述装置的实施例、原理和实例，故本实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述实施例中的相关说明，在此不做赘述。

经大量的试验验证，采用本发明的技术方案，通过在电机控制器的直流输入端（具体是在电机控制器的控制板的直流输入端）电容处并联泄放电阻，使得电机控制器中的电容中积蓄能量在断电后能经过大阻抗回路快速泄放，提高产品可靠性；避免在进行手工热插拔瞬间，滤波电容在瞬时构成的回路里泄放电压产生尖峰振荡电压损伤电机驱动芯片的问题，安全性好。

综上，本领域技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种电机的热插拔保护装置，其特征在于，所述电机，具有控制板，记作电机控制板；在所述电机控制板上，设置有N个端口，N为正整数；所述N个端口，能够连接至所述电机的开关电源；所述N个端口，包括：第一端口和第二端口；

所述电机的热插拔保护装置，包括：第一保护单元；

所述第一保护单元，包括：泄放模块和滤波模块；所述泄放模块和所述滤波模块，并联设置在所述第一端口与所述第二端口之间；其中，

所述滤波模块，被配置为在所述电机控制板与所述开关电源之间接通的情况下，对所述电机控制板的直流输入端的输入信号进行滤波；

所述泄放模块，被配置为在所述电机的热插拔操作中，在所述电机控制板与所述开关电源之间断开的情况下，使所述电机控制板的直流输入端形成泄放保护回路，对所述滤波模块中储存的能量进行释放；

所述泄放模块的阻抗参数与所述泄放保护回路的总阻抗参数的差值，大于设定阈值；所述泄放模块，包括：电阻模块；所述滤波模块，包括：电容模块；所述电阻模块包括电阻R1，所述电容模块包括电容C1；所述电机控制板内置于电机中，所述电机控制板的直流输入端设计有电容C1；电容C1与电阻R1并联构成泄放保护电路，所述开关电源通过接线端子与所述电机控制板连接；假设所述第一端口与所述第二端口间的等效电阻为A，保证电阻R1的阻值在10倍A以上；

在所述电机控制板上电后，所述电机控制板的直流输入端的电容C1会不断充电直至达到饱和电压，在拔去所述电机控制板与所述开关电源之间的接线端子后，电容C1中的电压不可突变，经由电阻R1形成回路快速泄放电容中储存能量；当所述电机控制板的直流输入端再次形成回路时，所述电机控制板的直流输入端的电容C1和电阻R1形成的大阻抗回路发挥作用，避免所述电机控制板的直流输入端产生振荡电压导致的后级电路损坏，同时能够抑制输入所述电机控制板的大电流，从而起到保护电路的作用；通过并联的大电阻即电阻R1，一方面泄放所述电机控制板的直流输入端的电容C1中储存的能量，另一方面并联分流输入所述电机控制板的大电流，从而保护后级主控芯片；

所述N个端口，还包括：第三端口和第四端口；所述电机的热插拔保护装置，还包括：第二保护单元；

所述第二保护单元，设置在所述第三端口与所述第四端口之间，被配置为在所述电机的热插拔操作中，在所述电机控制板与所述开关电源断开之后再次接通的情况下，对所述电机控制板的直流输入端的输入信号进行稳压处理。

2.根据权利要求1所述的电机的热插拔保护装置，其特征在于，所述泄放模块和所述滤波模块，沿所述电机控制板的直流输入端的输入信号的流向，布置在所述开关电源与所述电机控制板之间。

3.根据权利要求1所述的电机的热插拔保护装置，其特征在于，所述泄放模块，包括：电阻模块；所述滤波模块，包括：电容模块。

4.根据权利要求1所述的电机的热插拔保护装置，其特征在于，所述第一端口，为所述电机控制板的母线电压端口；所述第二端口，为接地端口。

5.根据权利要求1所述的电机的热插拔保护装置，其特征在于，所述第二保护单元，包括：稳压二极管。

6.根据权利要求1所述的电机的热插拔保护装置，其特征在于，所述第二保护单元，包括：TVS二极管。

7.根据权利要求1所述的电机的热插拔保护装置，其特征在于，所述第三端口，为直流电源端口；所述第四端口，为所述电机的参考转速给定端口。

8.根据权利要求1所述的电机的热插拔保护装置，其特征在于，所述N个端口，还包括：第五端口；所述第五端口，为所述电机的实际转速反馈端口。

9.一种电机，其特征在于，包括：如权利要求1至8中任一项所述的电机的热插拔保护装置。

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