CN115276386B - 一种占空比限制电路、电机驱动电路及电机驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种占空比限制电路及其应用。本发明提出一种占空比限制电路，利用PWM信号对电容进行充电，利用PWM信号或其互补信号控制电容放电电路的通断，以控制电容两端的电压，用电容两端的电压来控制所输出的开关信号，如果PWM信号的占空比达到设定值并保持一段时间，则占空比限制电路作动改变输出的开关信号，开关信号用于控制PWM生成电路是否工作。基于上述电路提出一种电机驱动电路及其驱动方法，实现对驱动电路功率电器以及电机的过载保护功能。本发明利用PWM信号的占空比实现对负载电器的过载保护，不依赖电流的热效应，重复性好，可靠性高，复位操作简单、快速；涉及的逻辑操作少，使用的电路器件少，功耗低，成本低，操作简单，调节方便。

Description

一种占空比限制电路、电机驱动电路及电机驱动方法

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，涉及一种占空比限制电路、电机驱动电路及电机驱动方法。

背景技术

PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）技术是一种广泛应用于数字和模拟电路中的电信号调控方法。PWM技术的基本原理是通过调节一个周期中高电平的时间占比（也即占空比）来调节输出信号的等效电压或者等效功率。在开关电源和电机驱动领域，PWM技术有广泛的应用。在开关电源中，PWM控制电路从输出端采集电压信号，与基准电压信号比较之后调节送入变压器的电信号的占空比，使输出电压保持稳定。在电机驱动领域，通过调节驱动电信号的占空比，可以调节电机的转速。

为了避免电路器件因通过大电流导致发热烧毁，常常需要设置过载保护电路或装置。现有的过载保护装置包括热继电器，过载电流通过热继电器的衔铁，使其发热变形进而脱扣，使电路断开。但热继电器依赖电流的热效应作动，存在重复性差，稳定性不佳，调整误差大等缺陷，复位过程也需要等待较长的时间。实现过载保护的另一种方式是使用继电器等装置限制最大电流，但电机等许多电路器件往往容许短时间的过载，直接限制最大电流会导致保护机制过度敏感，反而不利于电路器件的安全性和可靠性。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种占空比限制电路、电机驱动电路及电机驱动方法，对PWM信号的最大占空比进行限制，避免电路器件因长时间通过过载电流而烧毁。

一种占空比限制电路，包括控制开关和电容，控制开关的两个接触端是信号输出端，所述电容的两端分别与控制开关的控制端连接，控制开关根据其控制端的电信号确定其两个接触端的导通状态；所述电容与电容充电电路和电容放电电路连接，将需要限制最大占空比的PWM信号引入电容充电电路；利用需要限制最大占空比的PWM信号或其互补信号控制电容放电电路的通断。在PWM信号的占空比持续超过占空比设定值一段时间后，所述信号输出端输出的电信号由高电平变为低电平，或者由低电平变为高电平，所述占空比设定值由所述电容的充电速度和放电速度决定，为电容充电时间常数与充放电时间常数的和之比。

所述控制开关是三极管，三极管的集电极和发射极相当于控制开关的两个接触端，三极管的基极和发射极相当于控制开关的两个控制端，当两个控制端之间的电压超过阈值后，三极管的两个接触端导通；所述电容的两端分别与三极管的基极和发射极连接；在所述电容放电电路中设置放电开关，将所述需要限制最大占空比的PWM信号处理为其互补信号并用于控制放电开关的通断状态；

所述信号输出端与PWM信号生成电路的使能端或者停止端连接，向PWM信号生成电路提供停止工作的信号。

优选地，在所述电容充电电路中设置电阻，在所述电容放电电路中设置电阻，在电容充电电路与电容放电电路的共用电路部分设置电阻。

优选地，在所述电容放电电路中设置放电开关，放电开关是常闭开关，将所述需要限制最大占空比的PWM信号用于控制放电开关的通断状态。

优选地，在所述电容充电电路中设置二极管，二极管的负极指向电容。

优选地，向占空比限制电路输入一对互补的PWM信号，将其中一路PWM信号引入电容充电电路，将另一路PWM信号引入放电开关的控制端。

采用上述占空比限制电路设计下述电机驱动电路，包括H桥驱动电路、PWM信号生成电路和占空比限制电路；PWM信号生成电路向H桥驱动电路提供PWM信号，H桥驱动电路向电机提供电流以驱动其运转；将PWM信号生成电路生成的PWM信号引入占空比限制电路，用占空比限制电路的输出信号用于控制PWM信号生成电路是否工作。

优选地，所述PWM信号生成电路生成一对互补的PWM信号，将这对互补的PWM信号引入占空比限制电路。

基于上述电机驱动电路，有如下电机驱动方法，具体包括以下步骤：

（1）向H桥驱动电路中至少一个IGBT的栅极输入PWM信号，向H桥驱动电路中的其余三个IGBT的栅极输入电信号，使电流流经IGBT和电机；

（2）将输入IGBT的PWM信号引入占空比限制电路，对占空比限制电路中的电容进行充电和放电；

（3）如果PWM信号的占空比超过占空比限制电路的设定值并保持一段时间，占空比限制电路的输出状态改变，使PWM信号生成电路停止工作，暂停生成PWM信号。

本发明通过提供一种占空比限制电路，利用PWM信号对电容进行充电，同时利用PWM信号或其互补信号控制电容放电电路的通断，以控制电容两端的电压，用电容两端的电压来控制所输出的开关信号，如果PWM信号的占空比达到设定值并保持一段时间，则占空比限制电路作动改变输出的开关信号，开关信号可以用于控制PWM生成电路是否工作。本发明还提供一种电机驱动电路及其驱动方法，应用本发明提供的占空比限制电路实现对驱动电路功率电器以及电机的过载保护功能。本发明实现了利用PWM信号的占空比达到对负载电器的过载保护功能，不依赖电流的热效应，重复性好，可靠性高，复位操作简单、快速；工作原理不依赖计时操作或者测量占空比的逻辑运算，涉及的逻辑操作少，需要使用的电路器件少，功耗低，成本低，操作简单，调节方便。

附图说明

图1是本发明实施例1的电路原理图；

图2是本发明实施例1的信号时序示意图；

图3是本发明实施例1的信号时序示意图；

图4是本发明实施例2的电路原理图；

图5是本发明实施例3的电路原理图；

图6是本发明实施例4的电路原理图；

图7是本发明应用例1的整体结构模块图；

图8是本发明应用例1的电路原理图。

实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

实施例1

如图1所示，一种占空比限制电路1，包括三极管Q0和电容C1；三极管Q0的集电极和发射极相当于控制开关的两个接触端，三极管Q0的基极和发射极相当于控制开关的两个控制端，当两个控制端之间的电压超过阈值后，三极管Q0的两个接触端导通；电容C1的一端与三极管Q0的基极连接，另一端与三极管Q0的发射极连接；三极管Q0的集电极作为占空比限制电路1的输出端A，三极管Q0的发射极作为占空比限制电路1的输出端B；需要限制最大占空比的PWM信号Pulse自输入端C输入占空比限制电路1，输入端C与电容C1的一端连接形成电容充电电路，输入端C与三极管Q0的基极连接；放电开关S1的两个接触端分别与电容C1的两端连接形成电容放电电路；输入端C经非门电路G1与放电开关S1的控制端连接，放电开关S1是常开开关。

电容充电电路上设置电阻R1，电容放电电路上设置电阻R2，电容充电电路、电容放电电路以及三极管Q0的基极先共同连接，再与电容C1的一端连接；电阻R1用于控制电容C1的充电速度；电阻R2用于控制电容C1的放电速度。

还可以增加设置电阻R3，用于限制电容C1经三极管Q0放电时的电流。具体来说，电容充电电路上设置电阻R1，电容放电电路上设置电阻R2，电容充电电路、电容放电电路以及三极管Q0的基极先共同连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端与电容C1的一端连接；电阻R1和电阻R3用于控制电容C1的充电速度；电阻R1和电阻R3用于控制电容C1的放电速度。

占空比限制电路1的输出端A与PWM信号生成电路3的使能端SD连接，电源VCC向使能端SD提供高电平；占空比限制电路1的输出端B与接地电路GND连接；电源VCC与输出端A之间设置电阻R4用于限制电源VCC的最大输出电流。

本实施例的工作原理如下：如图2和3所示，PWM信号Pulse输入占空比限制电路1的输入端C，一路信号（Pulse1）经过电阻R1和R3对电容C1充电，另一路信号经过非门电路处理后成为与Pulse1信号互补的PWM信号Pulse2。当Pulse1信号为高电平时，对电容C1充电；此时Pulse2信号为低电平，放电开关S1断开，电容放电电路关闭；电容C1两端的电压U1升高。当Pulse1信号为低电平时，Pulse2信号为高电平，放电开关S1导通，电容放电电路连通，电容C1经电阻R2和电阻R3放电，电容C1两端的电压U1降低。

电容充电时间常数与充放电时间常数的和之比（R1+R3）/（R1+R2+2*R3）记为占空比设定值。

当PWM信号Pulse的占空比不超过占空比设定值时，电容C1两端的电压U1还未升高至阈值电压U2时电容就开始放电直至放电完毕，电压U1不能达到三极管Q0的开启条件，输出端A和输出端B之间处于断开状态，电源VCC向PWM信号生成电路3的使能端SD提供高电平，PWM信号生成电路3持续工作产生PWM信号Pulse。

如果PWM信号Pulse的占空比持续超过占空比设定值，在Pulse信号处于低电平期间，电容C1来不及释放Pulse信号处于高电平期间充入的电荷，电容C1两端的电压U1会逐渐升高，当电压U1达到阈值电压U2后，三极管Q0开启，发射极和集电极导通，PWM信号生成电路3的使能端SD相当于与接地电路GND连接，使能端SD信号由高电平变为低电平，PWM信号生成电路3暂停工作，不再生成PWM信号。而如果Pulse信号的占空比只是短时间超过占空比设定值，电容C1两端的电压U1不足以升高至阈值电压，那么占空比限制电路1不会作动，也不会导致PWM信号生成电路3停止工作。于是，占空比限制电路1实现了避免PWM信号的占空比长时间超过设定值的功能，也即实现了过载保护功能。

PWM信号的占空比超过设定值的幅度越大，占空比限制电路1作动使PWM信号生成电路3停止工作的时机越早，有利于实现更合理的过载保护机制。

三极管Q0可以替换为其他半导体开关管或者继电器；PWM信号生成电路3可以是分立元器件构建的电路，也可以是集成电路。

增大电阻R1、或者减小电阻R2、或者减小电阻R3或者这三种方式的组合可以增大占空比设定值；电阻R1、R2和R3中的任意组合可以替换为手动电位器或数字电位器，以实现手动或者自动调节占空比设定值的功能

实施例2

如图4所示，占空比限制电路1具有A、B、D三个输出端，三极管Q0的集电极与输出端A连接，三级管Q0的发射极经电阻R4与输出端B连接，三极管Q0的发射极与电阻R4之间引出导线与输出端D连接；输出端A与电源VCC连接，输出端B与接地电路GND连接，输出端D与PWM信号生成电路3的停止端ST连接。正常工况下，三极管Q0保持断开状态，输出端D向停止端ST输出低电平，PWM信号生成电路3正常工作；当PWM信号达到过载条件后，三极管Q0导通，输出端D向停止端ST输出高电平，PWM信号生成电路3停止工作。其余实施方式同实施例1。

本实施例与实施例1的区别在于输出状态刚好相反。当PWM信号未达到过载条件时，本实施例输出低电平，实施例1输出高电平；当PWM信号达到过载条件后，本实施例输出高电平，实施例1输出低电平。

实施例3

如图5所示，将实施例1中的放电开关S1替换为常闭开关，放电开关S1的控制端直接与输入端C连接；电容充电电路中的电阻R1与二极管D1的正极连接，二极管D1的负极与电阻R2、R3以及三极管Q0的基极连接。其余实施方式同实施例1。

在本实施例中，利用常闭的放电开关S1实现在Pulse信号高电平时切断电容放电电路，在Pulse信号低电平时连通电容放电电路的功能；设置二极管D1，避免电容C1经电阻R1放电，保证电容C1的放电速度准确，还可以避免电容C1放电时使放电开关S1作动切断电容放电回路。相比实施例1，本实施例节省了非门电路G1，功耗更低。

实施例4

如图6所示，占空比限制电路1具有两个输入端C1、C2，输入端C1不与放电开关S1连接，输入端C2直接与放电开关S1的控制端连接；向输入端C1和C2分别输入一对互补的PWM信号Pulse1和Pulse2。其余实施方式同实施例1。

互补的PWM信号Pulse1和Pulse2可以由英飞凌公司的半桥驱动芯片IR2184等集成电路生成。

本实施例可以用于需要使用互补PWM信号的场合中。

应用例1：

如图7所示，一种电机驱动电路，包括H桥驱动电路、PWM信号生成电路和占空比限制电路；如图8所示，H桥驱动电路包括4个IGBT（绝缘栅双极型晶体管）Q1、Q2、Q3和Q4，IGBTQ1的发射极与Q2的集电极连接，IGBT Q3的发射极与Q4的集电极连接，IGBT Q1和Q3的集电极相互连接并连接至电源，IGBT Q2和Q4的发射极相互连接并接地；从连接Q1和Q2的导线引出导线与电机M的一端MA连接，从连接Q3和Q4的导线引出导线与电机M的另一端MB连接。

采用双极模式驱动电机M，具体方式为：向IGBT Q1和Q4的栅极输入相同的PWM信号Pulse1，同时向IGBT Q2和Q3的栅极输入与Pulse1信号互补的PWM信号Pulse2；当Pulse1信号为高电平时，Pulse2信号为低电平，IGBT Q1和Q4导通，Q2和Q3关闭，电流自MA向MB通过电机M；当Pulse1信号为低电平时，Pulse2信号为高电平，IGBT Q1和Q4关闭，Q2和Q3导通，电流自MB向MA通过电机M，当Pulse1信号的占空比大于50%时，电机正转；当Pulse1信号的占空比小于50%时，电机反转。采用双机模式驱动电机可以实现电机的调速、刹车和反转等功能，并且调速性能好。

将Pulse1或者Pulse2信号引入实施例1-3中任一实施例的占空比限制电路的输入端C，或者将Pulse1信号和Pulse2信号分别引入实施例4的占空比限制电路的输入端C1、C2，将占空比限制电路输出的SD信号用于控制PWM信号生成电路是否工作，可以防止因电机驱动电路的软硬件故障或者误操作等原因导致的大电流长时间通过IGBT和直流的情况，避免IGBT和电机烧毁。

也可以采用受限单极模式驱动电机M，仅向四个IGBT中的一个IGBT输入PWM信号，向其对角布置的IGBT输入高电平信号使其保持开启，向其余两个IGBT输入低电平使其保持关闭。在受限单极模式下，将PWM信号引入实施例1-3中任一实施例的占空比限制电路的输入端C。

还可以采用单极模式驱动电机M，向H桥驱动电路同侧的两个IGBT分别输入互补的PWM信号，向另一侧的两个IGBT分别输入高电平和低电平。在单极模式下，将任一路PWM信号引入实施例1-3中任一实施例的占空比限制电路的输入端C，或者将互补的PWM信号分别引入实施例4的占空比限制电路的输入端C1、C2。

在电机额定功率较高的应用场合，还可以在H桥驱动电路中采用驱动隔离电路，将低功率的PWM信号生成电路生成的PWM信号输入H桥驱动电路的弱电侧，经过驱动隔离电路的转换为H桥驱动电路的强电侧的高功率的PWM信号，再控制IGBT的通断状态。采用驱动隔离电路可以提高电机驱动电路的功率适用范围以及安全性。

利用本发明的占空比限制电路的输出信号，不仅可以用于控制PWM信号生成电路的工作状态，也可以根据需要用于控制H桥驱动电路、电机或者其他控制器的工作状态，在出现过载工况后阻止过载电流流经易发热损坏的器件，从而起到保护作用。

基于上述电机驱动电路，有如下电机的驱动方法，具体包括以下步骤：

（1）向H桥驱动电路中至少一个IGBT的栅极输入PWM信号，向H桥驱动电路中的其余三个IGBT的栅极输入电信号，使电流流经IGBT和电机；

（2）将输入IGBT的PWM信号引入占空比限制电路，对占空比限制电路中的电容进行充电和放电；

（3）如果PWM信号的占空比超过占空比限制电路的设定值并保持一段时间，占空比限制电路的输出状态改变，使PWM信号生成电路停止工作，暂停生成PWM信号。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种占空比限制电路，其特征在于：包括控制开关和电容，控制开关的两个接触端是信号输出端，所述电容的两端分别与控制开关的控制端连接，控制开关根据其控制端的电信号确定其两个接触端的导通状态；所述电容与电容充电电路和电容放电电路连接，将需要限制最大占空比的PWM信号引入电容充电电路；利用需要限制最大占空比的PWM信号或其互补信号控制电容放电电路的通断；在PWM信号的占空比持续超过占空比设定值一段时间后，所述信号输出端输出的电信号由高电平变为低电平，或者由低电平变为高电平，所述占空比设定值由所述电容的充电速度和放电速度决定，为电容充电时间常数与充放电时间常数的和之比；

所述控制开关是三极管，三极管的集电极和发射极相当于控制开关的两个接触端，三极管的基极和发射极相当于控制开关的两个控制端，当两个控制端之间的电压超过阈值后，三极管的两个接触端导通；所述电容的两端分别与三极管的基极和发射极连接；在所述电容放电电路中设置放电开关，将所述需要限制最大占空比的PWM信号处理为其互补信号并用于控制放电开关的通断状态；

所述信号输出端与PWM信号生成电路的使能端或者停止端连接，向PWM信号生成电路提供停止工作的信号。

2.如权利要求1所述的占空比限制电路，其特征在于：在所述电容充电电路中设置电阻，在所述电容放电电路中设置电阻，在电容充电电路与电容放电电路的共用电路部分设置电阻。

3.如权利要求1所述的占空比限制电路，其特征在于：在所述电容放电电路中设置放电开关，放电开关是常闭开关，将所述需要限制最大占空比的PWM信号用于控制放电开关的通断状态。

4.如权利要求3所述的占空比限制电路，其特征在于：在所述电容充电电路中设置二极管，二极管的负极指向电容。

5.如权利要求1所述的占空比限制电路，其特征在于：向占空比限制电路输入一对互补的PWM信号，将其中一路PWM信号引入电容充电电路，将另一路PWM信号引入放电开关的控制端。

6.一种直流电机驱动电路，其特征在于：包括H桥驱动电路、PWM信号生成电路和权利要求1-5中任一权利要求所述的占空比限制电路；PWM信号生成电路向H桥驱动电路提供PWM信号，H桥驱动电路向直流电机提供电流以驱动其运转；将PWM信号生成电路生成的PWM信号引入占空比限制电路，用占空比限制电路的输出信号用于控制PWM信号生成电路是否工作。

7.如权利要求6所述的直流电机驱动电路，其特征在于：所述PWM信号生成电路生成一对互补的PWM信号，将这对互补的PWM信号引入占空比限制电路。

8.一种直流电机驱动方法，其特征在于：使用包含H桥驱动电路、PWM信号生成电路和权利要求1所述的占空比限制电路的驱动电路驱动直流电机，具体包括以下步骤：

（1）向H桥驱动电路中至少一个IGBT的栅极输入PWM信号，向H桥驱动电路中的其余三个IGBT的栅极输入电信号，使电流流经IGBT和直流电机；

（2）将输入IGBT的PWM信号引入占空比限制电路，对占空比限制电路中的电容进行充电和放电；

（3）如果PWM信号的占空比超过占空比限制电路的设定值并保持一段时间，占空比限制电路的输出状态改变，使PWM信号生成电路停止工作，暂停生成PWM信号。