CN114337470B - 一种电机反转保护装置及其保护方法以及电机驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电机反转保护装置，其包括电机、电机驱动电路、唤醒电路、第一检测单元、第二检测单元、控制单元以及第一开关单元，其特征在于，第一开关单元连接在电机驱动电路与外部电源之间；第一检测单元用于检测来自电机的反向电动势；第二检测单元用于检测来自外部电源的供电电压；唤醒电路配置为接收电机反转时所产生的反向电动势，并在所接收的反向电动势超过第一阈值时唤醒控制单元；以及控制单元，控制单元配置为在被唤醒时依据第一检测单元和第二检测单元的检测结果选择性地控制第一开关单元和电机驱动电路的操作状态，以释放电机反转时所产生的反向电动势。本发明还涉及一种电机驱动系统以及相应的电机反转保护方法。

Description

一种电机反转保护装置及其保护方法以及电机驱动系统

技术领域

本发明涉及电机领域，具体地，本发明涉及一种电机反转保护装置及其保护方法，以及包括该电机反转保护装置的电机驱动系统。

背景技术

随着车辆技术、尤其是车辆电子技术的发展，在车辆、无论是商务车还是私人轿车还是大型设备车辆都越来越广泛的应用电子控制车门系统(电动门)。其中在该系统中一般包括用于车门驱动的驱动单元(直流电机)以及用于电机控制的电子控制逻辑电路以及供电电源。一般来说，车载电池/蓄电池通常用作该系统的供电电源。

一般来说，大体上具有如上结构组成的电动门系统通常在调试或试运行甚至正常运行过程中往往要与车辆上的其他电子系统、特别是包括其他ECU(电子控制单元)电路连接在一起。在操作推拉门的过程中，容易出现的问题是，随着对车门的反向推动，会带动电机反转，从而在电机两端产生反向电动势(也称为“感应电动势”)，这种感应电动势特别是在电动门系统与车辆的其他系统连接在一起的情况下极其容易对其他系统的ECU造成伤害。

发明内容

本发明提出一种电机反转保护装置，该装置可以包括电机、电机驱动电路、唤醒电路、第一检测单元、第二检测单元、控制单元以及第一开关单元。其中，第一开关单元可以连接在电机驱动电路与外部电源之间；第一检测单元可以换构成为用于检测来自电机的反向电动势；第二检测单元可以构成为用于检测来自外部电源的供电电压。此外，唤醒电路可以配置为接收电机反转时所产生的反向电动势，并在所接收的反向电动势超过第一阈值时唤醒控制单元。此外，控制单元可以配置为在被唤醒时依据第一检测单元和第二检测单元的检测结果选择性地控制第一开关单元和所述电机驱动电路的操作状态，以释放电机反转时所产生的反向电动势。

根据本发明的上述电机反转保护装置的基本构思在于，当电机发生反转时，通过利用第一检测单元和第二检测单元的检测结果来获取相关电路(特别是电机驱动电路)、以及必要时所连接的其他系统(蓄电池、ECU)所处的状态，并借助于控制单元对检测结果进行分析和处理，从而针对性地采取相应的保护措施。

有利地，第一开关单元可以由第一开关管构成，且电机驱动电路可以构成为由四个第二开关管构成的H桥电路。此外，控制单元可以配置为在被唤醒时选择性地控制上述第一开关管和四个第二开关管的通断，以释放电机反转时所产生的反向电动势。

有利地，如果第二检测单元未检测到来自外部电源的供电电压，则控制单元使第一开关单元和H桥电路的两个上桥臂关闭，并且使H桥电路的两个下桥臂间歇性地同步导通。对此可以理解为，当外部电源、典型地为车载蓄电池未连接的情况下，可以通过将用于电机控制的H桥电路的两个下桥臂间歇导通接地的方式释放反向电动势。

有利地，如果第二检测单元检测到来自外部电源的供电电压并且由第二检测单元检测到的外部电源的供电电压与由第一检测单元检测到的电机的反向电动势之间的差值大于第二阈值，则控制单元使第一开关单元导通。对此可以理解为，当外部电源、典型地为车载蓄电池连接的情况下，可以通过对外部电源进行充电的方式实现释放反向电动势，但是其前提必然还包括外部电源的供电电压与由第一检测单元检测到的电机的反向电动势之间的差值大于第二阈值这个条件。

有利地，在第一开关单元导通达第一时长后，如果由第一检测单元检测到的电机的反向电动势仍大于第一阈值，则控制单元使H桥电路的两个上桥臂关闭，并且使H桥电路的两个下桥臂间歇性地同步导通。对此可以理解为，如果采取通过对外部电源进行充电的方式实现反向电动势释放的策略一定时长、典型地为第一时长后，仍不足以对反向电动势进行有效降低，那么将采取通过将用于电机控制的H桥电路的两个下桥臂间歇导通接地的方式释放反向电动势。

有利地，在H桥电路的两个下桥臂间歇性地同步导通达第二时长后，如果由第一检测单元检测到的电机的反向电动势仍大于第一阈值，则控制单元可以中断对第一开关单元和所述H桥电路的控制，并且通过硬件电路保护打开H桥电路的两个下桥臂。对此可以理解为，当采取通过将用于电机控制的H桥电路的两个下桥臂间歇导通接地的方式释放反向电动势一定的时长、典型地为第二时长之后，感应电动势仍然过高，那么将直接采取通过硬件电路保护而直接持续打开H桥电路的两个下桥臂的方式实现释放反向电动势。

有利地，第一开关管和第二开关管可以构成为半导体场效应管。

有利地，第一阈值和第二阈值可以由控制单元设定。

有利地，控制单元可以构成为电机控制器。

此外，根据本发明的另一方面还提出一种电机驱动系统，其中该电机驱动系统可以包括按照本发明提出的电机反转保护装置。

此外，根据本发明的又一方面还提出一种电机反转保护方法，该方法可以根据按照本发明所述的电机反转保护装置来实施，其中该方法可以包括如下步骤：借助第一检测单元检测来自电机的反向电动势；借助第二检测单元检测来自外部电源的供电电压；如果由所述第一检测单元检测到的来自电机的反向电动势超过第一阈值，则唤醒所述控制单元；以及借助被唤醒的控制单元依据第一检测单元和第二检测单元的检测结果选择性地控制第一开关单元和所述电机驱动电路的操作状态，以释放电机反转时所产生的反向电动势。

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描述本发明的一部分实施例。这些附图对于本发明来说并不是限制性的，而是起示例性的作用。其中：

图1示出按照本发明提出的电机反转保护装置的示意性框图；

图2示出按照本发明提出的电机反转保护装置的一个具体实施例的示意电路连接图；以及

图3示出按照本发明提出的电机反转保护方法的一个具体实施例的示意性流程图。

具体实施方式

下面将参照附图并通过实施例来描述根据本发明的电机反转保护装置和方法。在下面的描述中，阐述了许多具体细节以便使所属技术领域的技术人员更全面地了解本发明。但是，对于所属技术领域内的技术人员明显的是，本发明的实现可不具有这些具体细节中的一些。相反，可以考虑用下面的特征和要素的任意组合来实施本发明，而无论它们是否涉及不同的实施例。因此，下面的各个方面、特征、实施例和优点仅作说明之用而不应被看作是权利要求的要素或限定，除非在权利要求中明确提出。

首先，必须要说明的是，在按照本发明提出的电机反转保护装置中，电机通常构成为直流电机。按照本发明所提出的所谓“电机反转”应理解为如下情形：当通过机械方式对直流电机施加反向作用力时，会使得电机发生反转，进而产生感应电动势。例如，在车辆电动门系统的应用中，所谓“电机反转”指的是，当在对电动门系统进行使用或者调试的过程中手动或其他机械方式反向推拉电动门时，会似使得驱动电动门的直流电机发生反转，进而产生感应电动势。在本文中，可以将此感应电动势也称为“反向电动势”。

此外，在本文中，“硬件电路保护”可以理解为：在不启动控制单元MC的情况下，通过将电机所产生的反向电动势进行稳压、阈值比较等处理(借助稳压二极管、比较器等元器件等来执行)，并将处理后的信号作为电机驱动电路和/或第一开关单元的控制信号输入至相应开关管的控制端，以控制各个开关管的通断而实现的保护措施。“软件保护”可以理解为：在控制单元MC中进行信号采集和逻辑判断等步骤，并直接借助控制单元输出相应的控制信号控制各个开关管的通断而实现的保护措施。

在电机发生反转时，为避免电机两端所产生的反向电动势对电机驱动电路或其他车辆ECU造成损坏，通常有以下三种典型的保护方案。第一方案：将位于在供电电源系统与电机控制电路之间的开关管、诸如MOS管常开，从而将在车门驱动电机两端产生的感应电动势直接释放到整车供电网络(亦即通过对中间的蓄电池进行充电的方式)中，从而保护左侧连接的各ECU。第一方案的缺点在于：保护机制单一，硬件电路是固定不可调的、特别是不能更改用于保护的电压保护阈值。最重要的，在供电网络、特别是蓄电池未连接的情况下，不仅不能起到保护作用还会损坏整车网络上的其他ECU。

第二方案在于：不做软件保护，直接将上述位于在供电电源系统与电机控制电路之间的开关管、诸如MOS管常关，从而根据该开关管、MOS管所附带的反向二极管的单向导通特性形成断路效果，阻止可能产生的感应电动势流向整车网络(由于该电流流向与反向二极管正好相反)。该第二方案的缺点在于，反向二极管具有一定的击穿电压，当可能产生的感应电动势大于反向二极管的击穿电压时，断路效果会变为打开效果。如果此时没有连接蓄电池，保护将会失效，从而感应电动势仍会施加到整车网络而损坏整车网络上的其他ECU。

第三方案在于：不做软件保护，当感应电动势到达设计阈值时，直接硬件方式打开电机控制开关H桥底边的两个控制开关管、诸如MOS管，而同时使得上面的两个MOS管保持关断，从而使电机两端同时接地，实现硬件刹车，该方案也可以称之为硬件电路保护。由于具体的硬件刹车电路不属于本发明的实质性重点，在此不再赘述。该第三方案的缺点在于：一方面，硬件电路方式相对固定而无法灵活地更改相关或相应的电压保护阈值；另一方面，直接将H桥低边开关管同时持续打开而导致电机两端接地会导致电机速度急速下降而产生明显的顿挫感，用户体验较差。

图1示出按照本发明提出的电机反转保护装置的示意性框图。电机反转保护装置大体包括电机203、电机驱动电路202、唤醒电路204、第一检测单元205、第二检测单元206、控制单元201。此外电机反转保护装置还包括连接在电机驱动电路202与外部电源207之间的第一开关单元(在图1中未示出)。其中第一检测单元205主要构成为用于检测来自电机的反向电动势。第二检测单元206主要构成为用于检测来自外部电源207的供电电压，更确切地说，通过来自第二检测单元206的检测信息控制单元201可以得知是否外接电源连接在电路中。

此外，唤醒电路204大体上配置为用于接收电机反转时所产生的反向电动势，并在所接收的反向电动势超过第一阈值时唤醒所述控制单元。此外，控制单元201配置为在被唤醒时依据第一检测单元205和第二检测单元206的检测结果选择性地控制第一开关单元和电机驱动电路202的操作状态，以采取不同的策略或措施释放电机反转时所产生的反向电动势。。下面结合图2的电路图来详细阐述根据本发明的电机反转保护装置的工作原理。

图2示出按照本发明提出的电机反转保护装置的一个具体实施例的示意性电路连接图。由图2可见，电机反转保护装置典型地应用于车辆电动门系统的调试(或者实际应用)中。结合图1的框图和图2的详细电路图，具体而言，控制单元201构成为在图2中间部分的单片机MC；电机驱动电路202构成为由四个半导体场效应管(MOS)T2、T3、T4、T5构成的H桥驱动电路，其中T2和T4构成为上桥臂，而T3和T5构成为下桥臂；此外第一开关单元构成为半导体场效应管T1。

每个MOS管的控制端(例如，T4的控制端T4_COM、T5的控制端T6_COM)连接至单片机MC，并且，每个MOS管的内部集成有一反向二极管D1-D5，例如为寄生二极管。

此外，电机203在此构成为用于驱动电动门的直流电机M，电机M在借助于电机驱动电路202并通过控制单元MC的控制指令下可以推动电动门的运行。如图2所示，第一检测单元205构成为连接在电机驱动电路与控制单元之间的由两个电阻R1、R2组成的分压电路(AD1)，由此可以检测来自电机的可能的反向电动势。此外，第二检测单元206构成为连接在外部电源(图左侧的蓄电池B)与控制单元201之间的同样由两个电阻R3、R4组成的分压电路(AD2)，由此可以检测来自外部电源B的供电电压，特别是可以检测该构成为外部电源的蓄电池是否连接在电路中，或者处于断开状态。外部电源207构成为车辆蓄电池B，在该蓄电池B的正极与控制单元MC的唤醒端子之间可连接二极管D6，当系统连接至蓄电池B时，来自蓄电池B的电流可经由二极管D6流入至控制单元MC，以唤醒MC。

此外，在按照图2的实施例中，唤醒电路可包括连接在控制单元与电机驱动电路之间的二极管D7，当电机反转时所产生的感应电动势达到预定阈值时，经由二极管D7可同样唤醒控制单元MC。该二极管D7的正极连接至H桥电路的上桥臂T2、T4，二极管D7的负极连接至MC的唤醒端子，H桥电路的下桥臂T3、T5接地，AD1连接在二极管D7的正极与MC的第一采集端子之间，AD2连接在电源的正极与MC的第二采集端子之间。

当然，图2中实施例所示的唤醒电路结构仅仅是示例性的，任何能够实现唤醒电路的同样作用和效果的其他实现方式都是可以考虑的。唤醒电路的主要任务在于接收电机反转时所产生的反向电动势，并在所接收的反向电动势超过第一阈值时唤醒可能处于待机或非激活状态下的控制单元MC。下面结合五个不同实施场景对图2中所示的电机反转保护装置实施例的应用进行详细阐明。

第一实施情景：

在第一情景下，假设车辆电动门正常运行，例如正常开门或者正常关门。具体而言，构成为外接电源的蓄电池B连接在电路中，此时控制单元MC启动，通过MC来控制MOS管的开闭。其中，MOS管T1、T3、T4打开(也可称为MOS管“接通”)，而T2、T5关闭(也可称为MOS管“断开”或“截止”)。从而通过蓄电池、T1、T4、电机M、T3至接地端形成通路，由此在蓄电池供电的情况下，驱动电机自动逆时针转动。

第二实施情景：

在第二情景下，假设蓄电池未连接在电路中，由于控制单元MC无法通过蓄电池供电，因此在该情况下控制单元MC处于非唤醒状态。在此情形下，假设用户快速推动电动门促使电机顺时针转动，从而在电机203两端形成感应电动势(电压差)，当该感应电动势超过第一阈值(该阈值通过标准或者根据经验预定)时，电流通过T3、T4的反向二极管将感应电动势提供给控制单元MC，从而将其唤醒。

由于第二检测单元AD2检测到此时蓄电池未连接，故保持T1关闭，从而阻止由于感应电动势的存在而产生的感应电流经过T1向左流向整车网络而破坏其他ECU(如图2中左侧示出的ECU1和ECU2)。与此同时，控制单元MC控制T2、T4保持关闭并周期性打开关闭T3、T5使部分电流由T5流向大地，从而达到感应电动势以平滑的方式逐步减少，从而在消除感应电动势实现对其他ECU保护的同时还实现了更好的用户体验。

第三实施情景：

在第三情景下，假设蓄电池B处于连接中，控制单元MC处于唤醒状态。当快速推门促使电机顺时针转动时，电机两端形成感应电动势，由于第二检测单元AD2检测到此时整车蓄电池已连接，那么当第一检测单元AD1检测到感应电动势超过AD2检测到蓄电池电压一个阈值(第二阈值)时(此阈值由参数控制或者通过经验设定)，控制单元MC控制T1打开，允许感应电动势流向蓄电池并通过给蓄电池充电的方式来降低感应电动势，从而消除对ECU的威胁。

第四实施情景：

在第四情景下，假设蓄电池B处于连接中，控制单元MC处于唤醒状态。当快速推门促使电机顺时针转动时，电机两端形成感应电动势，由于第二检测单元AD2检测到此时整车蓄电池已连接，那么同样如第三情景那样当由第一检测单元AD1检测到的感应电动势超过由第二检测单元AD2检测到的蓄电池电压第二阈值时，将T1打开。当经过第一时长(该时长可以通过经验设定)之后，如果第一检测单元AD1检测到的感应电动势仍高于第一阈值，那么控制单元MC控制T2、T4保持关闭，同时周期性打开/关闭T3、T5使电流由T5流向接地，从而使感应电动势以平滑的方式逐步减少，从而在消除感应电动势实现对其他ECU保护的同时还实现了更好的用户体验。

第五实施情景：

该第五情景可以理解为对上述2、3、4情景的备用保护机制。换言之，如果在上述2、3、4情景下相应采取了相应的保护措施之后，比如以第四情景为例，当控制单元201控制T2、T4保持关闭，同时周期性打开和关闭T3、T5使电流由T5流向接地持续时间超过第二时长之后，如果由第一检测单元AD1检测到的电机的感应电动势仍大于第一阈值，那么控制单元MC中断对第一开关单元和H桥电路的控制，并且通过硬件电路保护持续打开H桥电路的两个下桥臂T3、T5，从而使电机203两端直接接地，达到快速降低感应电动势的目的。

相应地，利用参考图1-2所述的电机反转保护装置来实施的根据本发明的电机反转保护方法概括而言可以包括如下步骤：借助第一检测单元检测来自电机的反向电动势；借助第二检测单元检测来自外部电源的供电电压；其中如果由第一检测单元检测到的来自电机的反向电动势超过第一阈值，则唤醒控制单元；以及借助被唤醒的控制单元依据第一检测单元和第二检测单元的检测结果选择性地控制第一开关单元和电机驱动电路的操作状态，以释放电机反转时所产生的反向电动势。

图3示出按照本发明提出的电机反转保护方法的一个具体实施例的示意流程图。下面参照图3来详细描述根据本发明的电机反转保护方法的各个操作步骤。

在实施反转保护之前，预先设置各阈值参数，包括但不限于作为唤醒控制单元的判断标准的第一阈值(即，电机反向电动势的比较标准)，和作为充电判断标准的第二阈值(即，外部电源电压与电机的反向电动势之间的差值比较标准)。

随后，检测电源电压状态与电机电压状态，并基于检测结果在不同应用场景下通过控制H桥驱动电路来控制电机感应电流的流向。下面列举该反转保护方法在不同应用场景下所执行的保护机制。

场景一：当ECU没有连接到车辆电源网路时，关闭T1，以防止电机的感应电动势进入整车电源网路而损坏整车网络上的其他ECU。同时根据产生的感应电动势激活MC，以周期性地控制H桥低边MOS管打开和关闭，从而对电机进行平滑刹车，以降低感应电动势。

场景二：当ECU连接到车辆电源网络且允许向车辆电源充电(如，感应电动势达到预先设置的阈值)时，打开T1，以将产生的电能用于对车辆蓄电池B进行充电，通过蓄电池的大电容特性可减少感应电动势。

场景三：当实施了场景二的保护机制但电机的感应电动势仍高于预设的阈值时，此时仍然需要借助MC周期性地控制H桥低边MOS管打开和关闭，以对电机进行平滑刹车处理，由此降低感应电动势。

场景四：当实施了以上三种场景的保护机制但电机感应电动势仍高于预设的保护阈值时，此时可借助硬件电路对电机进行刹车。

根据本发明的电机反转保护装置和方法，在不同的场景下，都能实施对应的保护机制，全方面保护了整车网络的安全；此外，通过配置不同的阈值参数，即使在同一个硬件电路中，也能够满足不同产品的开发需求。

对所提出的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。应当理解，以上实施例中所公开的特征，除了有特别说明的情形外，都可以单独地或者相结合地使用。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本文所公开的本发明并不局限于所公开的具体实施例，而是意在涵盖如所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围之内的修改。

Claims (7)

1.一种电机反转保护装置，包括电机(M)、电机驱动电路、唤醒电路、第一检测单元(AD1)、第二检测单元(AD2)、控制单元(MC)以及第一开关单元(T1)，其特征在于，

所述第一开关单元(T1)连接在所述电机驱动电路与外部电源之间；

所述第一检测单元(AD1)用于检测来自电机的反向电动势；

所述第二检测单元(AD2)用于检测来自外部电源(M)的供电电压；

所述唤醒电路配置为接收电机反转时所产生的反向电动势，并在所接收的反向电动势超过第一阈值时唤醒所述控制单元；以及

所述第一开关单元由第一开关管构成，所述电机驱动电路为由四个第二开关管构成的H桥电路，所述控制单元(MC)配置为在被唤醒时依据所述第一检测单元和所述第二检测单元的检测结果选择性地控制所述第一开关管和所述四个第二开关管的通断，以释放电机反转时所产生的反向电动势，

其中，如果所述第二检测单元(AD2)检测到来自外部电源的供电电压并且由所述第二检测单元检测到的外部电源的供电电压与由所述第一检测单元检测到的电机的反向电动势之间的差值大于第二阈值，则所述控制单元使所述第一开关单元导通，以利用所述反向电动势给所述外部电源充电，

其中，在所述第一开关单元导通达第一时长后，如果由所述第一检测单元检测到的电机的反向电动势仍大于所述第一阈值，则所述控制单元使所述H桥电路的两个上桥臂关闭，并且使所述H桥电路的两个下桥臂间歇性地同步导通；

其中，在所述H桥电路的两个下桥臂间歇性地同步导通达第二时长后，如果由所述第一检测单元检测到的电机的反向电动势仍大于所述第一阈值，则所述控制单元中断对所述第一开关单元和所述H桥电路的控制，并且通过硬件电路保护打开所述H桥电路的两个下桥臂。

2.根据权利要求1所述的电机反转保护装置，其特征在于，如果所述第二检测单元(AD2)未检测到来自外部电源的供电电压，则所述控制单元使所述第一开关单元和所述H桥电路的两个上桥臂关闭，并且使所述H桥电路的两个下桥臂间歇性地同步导通。

3.根据权利要求1或2所述的电机反转保护装置，其特征在于，所述第一开关管和所述第二开关管为半导体场效应管。

4.根据权利要求1或2所述的电机反转保护装置，其特征在于，所述第一阈值和第二阈值由所述控制单元设定。

5.根据权利要求1或2所述的电机反转保护装置，其特征在于，所述控制单元为电机控制器。

6.一种电机驱动系统，其特征在于，该系统包括根据权利要求1至5中任一项所述的电机反转保护装置。

7.一种电机反转保护方法，该方法利用根据权利要求1至5中任一项所述的电机反转保护装置来实施，其特征在于，该方法包括如下步骤：

借助所述第一检测单元检测来自电机的反向电动势；

借助所述第二检测单元检测来自外部电源的供电电压；

如果由所述第一检测单元检测到的来自电机的反向电动势超过第一阈值，则唤醒所述控制单元；

借助被唤醒的所述控制单元依据所述第一检测单元和所述第二检测单元的检测结果选择性地控制所述第一开关单元和所述电机驱动电路的操作状态，以释放电机反转时所产生的反向电动势；

如果所述第二检测单元(AD2)检测到来自外部电源的供电电压并且由所述第二检测单元检测到的外部电源的供电电压与由所述第一检测单元检测到的电机的反向电动势之间的差值大于第二阈值，则所述控制单元使所述第一开关单元导通，以利用所述反向电动势给所述外部电源充电；

在所述第一开关单元导通达第一时长后，如果由所述第一检测单元检测到的电机的反向电动势仍大于所述第一阈值，则借助所述控制单元使所述H桥电路的两个上桥臂关闭，并且使所述H桥电路的两个下桥臂间歇性地同步导通；以及，

在所述H桥电路的两个下桥臂间歇性地同步导通达第二时长后，如果由所述第一检测单元检测到的电机的反向电动势仍大于所述第一阈值，则借助所述控制单元中断对所述第一开关单元和所述H桥电路的控制，并且通过硬件电路保护打开所述H桥电路的两个下桥臂。