CN115864945A - 直流有刷电机的短路检测系统、方法及直流有刷电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种直流有刷电机的短路检测系统、方法及直流有刷电机，所述短路检测系统包括电机驱动电路和电源预充电路，电机驱动电路的输入端连接与电源预充电路；电机驱动电路包括由第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管和第四MOS管组成的H桥式驱动电路；电源预充电路包括蓄电池、继电器、电容和电阻，继电器连接在蓄电池的正极上，继电器的另一端连接有供电线路，供电线路与电机驱动电路的输入端连接，电容连接在供电线路上，蓄电池的负极以及电容的另一端均连接地线，电阻并联在继电器上。通过上述短路检测系统，可有效区分辨是因MOS管损坏导致的短路或因碳粉堆积导致的短路，以便于在出现短路问题后能够针对性的对电机进行维修和维护工作。

Description

直流有刷电机的短路检测系统、方法及直流有刷电机

技术领域

本发明涉及直流有刷电机的技术领域，具体涉及一种直流有刷电机的短路检测系统、方法及直流有刷电机。

背景技术

直流有刷电机被广泛应用于各个行业中，直流有刷电机在运行过程中，会出现短路问题，导致电机的换向器或控制器损坏。电机的短路问题主要存在两种原因，一种是由于控制器中的MOS管损坏短路；另一种是因电机内部的碳刷持续磨损，从碳刷上掉落的碳粉堆积在电机内部，碳粉作为导体堆积过多后也会造成对地短路现象。

然而，在发生短路问题时，难以判断电机出现短路的原因，不利于对电机的维修和维护工作。

发明内容

因此，为了能够在电机出现短路问题时更容易判断出现短路的原因，便于对电机的维修和维护，本发明提供一种直流有刷电机的短路检测系统、方法及直流有刷电机。

本发明提供的直流有刷电机的短路检测系统采用如下的技术方案：

一种直流有刷电机的短路检测系统，其包括：电机驱动电路和电源预充电路，所述电机驱动电路的输入端连接与所述电源预充电路；

所述电机驱动电路包括由第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管和第四MOS管组成的H桥式驱动电路，所述第一MOS管和所述第三MOS管连接于所述电源预充电路，所述第二MOS管和所述第四MOS管连接地线；

所述电源预充电路包括蓄电池、继电器、电容和电阻，所述继电器连接在所述蓄电池的正极上，所述继电器的另一端连接有供电线路，所述供电线路与所述电机驱动电路的输入端连接，所述电容连接在供电线路上，所述蓄电池的负极以及所述电容的另一端均连接地线，所述电阻并联在所述继电器上。

在一实施例中，所述电容包括：第一电容和第二电容，所述第一电容和第二电容并联设置，所述第一电容和所述第二电容均连接地线，所述电阻的一端连接在所述第一电容和所述第二电容之间。

在一实施例中，所述电机驱动电路还包括：第一采样电阻和第二采样电阻，所述第一采样电阻连接在所述第二MOS管与地线之间，所述第二采样电阻连接在所述第四MOS管与地线之间。

本发明提供的直流有刷电机的短路检测方法采用如下的技术方案：

一种基于上述任意一种实施方式所提供的直流有刷电机的短路检测系统的短路检测方法，所述短路检测方法包括如下步骤：

获取所述电机驱动电路中的中点电压；

若所述中点电压为零，则断开所述继电器，并导通第一MOS管和第四MOS管，或导通第二MOS管和第三MOS管；

获取所述供电线路上的电源电压；

若所述电源电压为零，则为MOS管短路；若所述电源电压不为零，则为碳粉堆积导致的对地短路。

在一实施例中，所述短路检测方法还包括如下步骤：

若为碳粉堆积导致的对地短路，计算掉落在电机内部的碳粉所形成的对地电阻的阻值。

在一实施例中，所述计算掉落在电机内部的碳粉所形成的对地电阻的阻值的方法包括如下步骤：

获取当前时刻，所述当前时刻为从所述继电器断开时计时至获取所述当前时刻所经过的时间；

获取所述电容在当前时刻的电压；

获取所述电机驱动电路中在所述当前时刻的电流；

基于所述当前时刻、所述电压以及所述电流，计算所述对地电阻的阻值。

在一实施例中，所述短路检测方法还包括如下步骤：若所述对地电阻的阻值小于安全阻值，发出警示信号。

本发明提供的直流有刷电机采用如下的技术方案：

一种直流有刷电机，其包括警示装置、控制器以及上述任意一种实施方式中所述的短路检测系统，所述警示装置用于发出警示信号，所述控制器通过上述任意一种实施方式中提供的短路检测方法控制所述警示装置运作。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的短路检测系统，当电机驱动电路中出现短路问题后，令继电器关闭，使电机驱动电路与蓄电池断开，利用电源预充电路中的电容继续供电，然后再导通上管，若为MOS管本身短路，相当于电容直接接地，使电源预充电路中的电压直接降低为零，若为碳粉堆积造成的对地短路，由于碳粉堆积会形成对地电阻，电压会根据形成的对地电阻的阻值大小降低相应的电压，而不会直接降低为零，因此，可通过电源预充电路中的电压是否为零来判断电机出现短路问题的原因，便于维修人员对电机的维修和维护工作。

2.本发明提供的短路检测方法，通过电机驱动电路中的中点电压是否为零来判断是否发生短路，并在出现短路后能够有效区分是由于MOS管损坏出现的短路还是因碳粉掉落堆积导致的对地短路，令维修人员可对电机进行针对性的维修作业。

3.本发明提供的短路检测方法，还能够根据短路后的电压以及电流计算出碳粉堆积所形成的对地电阻的阻值大小，并根据阻值大小判断是否需要及时清理碳粉或更换碳刷，可更好的排出安全隐患，保证电机安全稳定的运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例中所提供的电机驱动电路的结构框图；

图2为本发明实施例中所提供的电源预充电路的结构框图；

图3为本发明实施例中碳粉在电机内部堆积所形成的对地电阻的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。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。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明实施例提供一种直流有刷电机的短路检测系统，其用于判断电机出现短路的原因，结合图1和图2所示，短路检测系统包括电机驱动电路和电源预充电路,电机驱动电路的输入端与电源预充电路连接，由电源预充电路为电机驱动电路供电。

电机驱动电路包括四个MOS管，由四个MOS管组成H桥式驱动电路，四个MOS管分别为第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3以及第四MOS管Q4，四个MOS管分别为四个桥臂，其中第一MOS管Q1和第三MOS管Q3的一端为输入端，与电源预充电路连接，第二MOS管Q2与第四MOS管Q4均连接地线。四个MOS管均可由电机的控制器控制导通或关闭，从而控制电机的旋转速度和方向，例如，第一MOS管Q1和第四MOS管Q4导通、第二MOS管Q2和第三MOS管Q3关闭，此时电机正向旋转，或者第一MOS管Q1和第四MOS管Q4关闭、第二MOS管Q2和第三MOS管Q3导通，此时电机反向旋转。

电机驱动电路还包括第一采样电阻R1和第二采样电阻R2，第一采样电阻R1设置在第二MOS管Q2与地线之间，第二采样电阻R2位于第四MOS管Q4与地线之间，使电机的控制器可通过ADC采样时刻获取电机驱动电路中的电流。

电源预充模块包括：蓄电池、继电器SW1、电容和电阻R4，蓄电池的正极与继电器SW1连接、负极连接地线，继电器SW1的另一端连接有供电线路，供电线路与电机驱动电路的输入端连接，从而连通蓄电池与电机驱动电路，为电机驱动电路供电。电容包括第一电容C1和第二电容C2，第一电容C1和第二电容C2均连接在供电线路上，第一电容C1和第二电容C2的另一端均连接地线。电阻R4并联在继电器SW1一侧，且电阻R4的一端连接在第一电容C1和第二电容C2之间。

在电机驱动电路的电路中，具有中点电压Vf，中点电压Vf的大小由电机驱动电路的运作而决定，在电机正常运转过程中，所述中点电压Vf一般为4V，当中点电压Vf被拉低到零时，表明电机发生了短路现象。

此时，通过控制关闭继电器SW1，停止蓄电池的供电，利用电容放电的特性，由电容继续向供电线路中供电，初始阶段维持在蓄电池的电压，再通过检测电源预充电路中的电压大小，即可判断是因碳粉堆积导致的短路，还是MOS管本身的短路。

例如，蓄电池的电压为24V，断开继电器SW1的瞬间，PVDD的电压由电容提供依然保持在24V，此时导通第一MOS管Q1和第四MOS管Q4，或导通第二MOS管Q2和第三MOS管Q3，若为MOS管损坏短路，则会使电源预充电路直接接地，导致供电线路中的电压直接被拉低到零。若因碳粉堆积造成的对地短路，如图3所示，碳粉堆积会在电机的某相和地之间形成对地电阻R3，供电线路中的电压并不会直接被拉低到零，而会基于对地电阻R3的阻值大小被拉低相应的电压。因此，可通过检测供电线路中的电压是否为零来判断短路原因,以便于对电机进行针对性的维修和维护工作。

本发明实施例还提供一种直流有刷电机的短路测试方法，测试方法包括如下步骤：

步骤S1，获取电机驱动电路中的中点电压Vf,可通过电机内部的控制器获取。

步骤S2，若中点电压Vf为零，则断开继电器SW1，并导通上管。

当中点电压Vf为零时，表明电机驱动电路中出现了短路现象，此时断开继电器SW1，断开电机驱动电路与蓄电池的连接，并通过电容向电机驱动电路供电。

步骤S3，获取供电线路中的电压，同样可通过电机内部的控制器获取。

步骤S4，若PVDD的电压为零，则为MOS管短路，若供电线路中的电压不为零，则为碳粉堆积导致的对地短路。

步骤S5，若为碳粉堆积导致的对地短路，计算掉落在电机内部的碳粉所形成的对地电阻R3的阻值。对地电阻R3的计算方法如下：

基于电容放电公式和欧姆定律可知：

其中，

为电容满电时的电压，即与蓄电池的电压一致；

t为当前时刻，其为从所述继电器断开时开始计时直至获取所述当前时刻所经过的时间；

R为电容的阻抗；

C为电容的容量；

为电机驱动电路中在t当前时刻的电流。

步骤S6，当对地电阻R3的阻值小于安全阻值时，发出警示信号，所述警示信号为设置在电机上的信号灯，当对地电阻R3的阻值小于安全阻值后，令电机上的信号灯亮起，警示工作人员对电机内部的碳粉进行清理。

其中，安全阻值是对地电阻的最小阻值，随着碳粉堆积量的增加，对地电阻R3的阻值会逐渐缩小。因少量碳粉掉落而造成的轻微短路不会对电机的运行和其内部的控制器造成影响，电机可保持正常运作，只有当对地电阻R3的阻值小于安全阻值时，所造成的对地短路会造成电机以及内部控制器的损害。

因此，只要保证碳粉形成的对地电阻的阻值大于安全阻值即可，在小于安全阻值时通过发出警示信号的方式，使维修人员及时对电机内部的碳粉进行清理，以保证电机的正常运转。经验证，所述安全阻值为15K，当对地电阻的阻值在15K以上时，可保证电机的安全运行，当对电阻的阻值小于15K时就需要及时清理碳粉来保证电机的正常运作。

本发明实施例还提供一种直流有刷电机，其包括警示装置、控制器和上述中的短路检测系统，警示装置用于发出警示信号，控制器通过上述中的短路检测方法控制所述警示装置运作，当所检测到的对地电阻R3阻值小于安全阻值时，令警示装置发出警示信号，提示工作人员及时清理电机内部的碳粉。

其中，警示装置可以是信号灯，通过控制信号灯的亮起或颜色的改变达到发出警示信号的目的，也可以是蜂鸣器，通过控制蜂鸣器发出蜂鸣声的方式达到警示的目的。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种直流有刷电机的短路检测系统，其特征在于，包括：电机驱动电路和电源预充电路，所述电机驱动电路的输入端连接与所述电源预充电路；

所述电机驱动电路包括由第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管和第四MOS管组成的H桥式驱动电路，所述第一MOS管和所述第三MOS管连接于所述电源预充电路，所述第二MOS管和所述第四MOS管连接地线；

所述电源预充电路包括蓄电池、继电器、电容和电阻，所述继电器连接在所述蓄电池的正极上，所述继电器的另一端连接有供电线路，所述供电线路与所述电机驱动电路的输入端连接，所述电容连接在供电线路上，所述蓄电池的负极以及所述电容的另一端均连接地线，所述电阻并联在所述继电器上。

2.根据权利要求1所述的短路检测系统，其特征在于，所述电容包括：第一电容和第二电容，所述第一电容和第二电容并联设置，所述第一电容和所述第二电容均连接地线，所述电阻的一端连接在所述第一电容和所述第二电容之间。

3.根据权利要求1所述的短路检测系统，其特征在于，所述电机驱动电路还包括：第一采样电阻和第二采样电阻，所述第一采样电阻连接在所述第二MOS管与地线之间，所述第二采样电阻连接在所述第四MOS管与地线之间。

4.一种基于权利要求1-3中任一项所述的直流有刷电机的短路检测系统的短路检测方法，其特征在于，所述短路检测方法包括如下步骤：

获取所述电机驱动电路中的中点电压；

若所述中点电压为零，则断开所述继电器，并导通第一MOS管和第四MOS管，或导通第二MOS管和第三MOS管；

获取所述供电线路上的电源电压；

若所述电源电压为零，则为MOS管短路；若所述电源电压不为零，则为碳粉堆积导致的对地短路。

5.根据权利要求4所述的短路检测方法，其特征在于，所述短路检测方法还包括如下步骤：

若为碳粉堆积导致的对地短路，计算掉落在电机内部的碳粉所形成的对地电阻的阻值。

6.根据权利要求5所述的短路检测方法，其特征在于，所述计算掉落在电机内部的碳粉所形成的对地电阻的阻值的方法包括如下步骤：

获取当前时刻，所述当前时刻为从所述继电器断开时计时至获取所述当前时刻所经过的时间；

获取所述电机驱动电路中在所述当前时刻的电流；

基于所述当前时刻、所述电容的阻抗、所述电容的容量以及所述电流，计算所述对地电阻的阻值。

7.根据权利要求5或6所述的短路检测方法，其特征在于，所述短路检测方法还包括如下步骤：

若所述对地电阻的阻值小于安全阻值，发出警示信号。

8.一种直流有刷电机，其特征在于，包括警示装置、控制器以及权利要求1-3中任一项所述的短路检测系统，所述警示装置用于发出警示信号，所述控制器通过执行权利要求7中所述的短路检测方法控制所述警示装置运作。

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