CN116582054A - 一种电机控制电路及其反向电动势保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电机控制电路及其反向电动势保护电路，电机控制电路包括：供电电池，其用于输出供电电压VBAT；电机驱动电路，其输出端与电机相连，其用于驱动所述电机运转；反向电动势保护电路，其输入端a与所述供电电池输出的供电电压VBAT相连，其输出端b与所述电机驱动电路的电源端VIN相连，其控制端c与所述电机驱动电路的信号端相连。与现有技术相比，本发明提供的电机控制电路及其反向电动势保护电路应用在电池供电的电机设备上，利用纯硬件来实现过压自动触发保护，可以在正常运行时实现低功耗需求，并且此电路具有电路结构更简单、成本更低、无软件、控制灵活等特点。

Description

一种电机控制电路及其反向电动势保护电路

【技术领域】

本发明涉及电机控制技术领域，特别涉及一种电机控制电路及其反向电动势保护电路。

【背景技术】

电机被广泛应用于汽车领域。如进气格栅、冷却水阀、充电盖、旋转屏等。由于大部分应用场合是低速、大扭矩，所以很多电机设备都配有减速齿轮组用来增大电机力矩。但是该结构会使得当外部力转动设备时，传输到电机轴本身的转速会很大，由此产生很大的反向电动势，当反向电动势电压超过集成电路芯片的最大耐压值后会对芯片造成损坏。

现有针对电机反向电动势的保护电路是通过连接在电源端和地之间的功率电阻和MOS管串联来对反向电动势进行泄放，控制泄放电路则有多个稳压管、三极管和电阻进行检测。该电路不仅复杂、成本较高，而且功率电阻在泄放保护时会产生大量热量。并且当电机正常工作时，控制部分的电阻串联在电源端和地之间，会造成较大的电流损耗，无法满足低功耗需求。

因此，有必要提出一种新的技术方案来解决上述问题。

【发明内容】

本发明的目的之一在于提供一种电机控制电路及其反向电动势保护电路，其应用在电池供电的电机设备上，可以在正常运行时实现低功耗需求，并且此电路具有电路结构更简单、成本更低、无软件、控制灵活等特点。

根据本发明的一个方面，本发明提供一种电机控制电路，其包括：供电电池，其用于输出供电电压VBAT；电机驱动电路，其输出端与电机相连，其用于驱动所述电机运转；反向电动势保护电路，其输入端a与所述供电电池输出的供电电压VBAT相连，其输出端b与所述电机驱动电路的电源端VIN相连，其控制端c与所述电机驱动电路的信号端相连。

进一步的，所述反向电动势保护电路包括MOS管Q1、三极管Q2、稳压管D2和二极管D3，所述MOS管Q1的第一连接端与所述反向电动势保护电路的输入端a相连，其第二连接端与所述反向电动势保护电路的输出端b相连，其控制端与连接节点A相连；所述三极管Q2的第一连接端与所述连接节点A相连，其第二连接端接地，其控制端与连接节点B相连；所述稳压管D2的负极与所述反向电动势保护电路的输出端b相连，其正极与所述连接节点B相连；所述二极管D3的负极与所述连接节点B相连，其正极与所述反向电动势保护电路的控制端相连。

进一步的，所述反向电动势保护电路还包括电阻R2、电阻R4、电阻R5和稳压管D1，所述电阻R2连接于所述连接节点A和所述三极管Q2的第一连接端之间；所述电阻R4连接于所述连接节点B和所述三极管Q2的控制端之间；所述电阻R5连接于所述三极管Q2的控制端和第二连接端之间；所述稳压管D1的正极与所述连接节点A相连，其负极与所述MOS管Q1的第二连接端相连。

进一步的，所述反向电动势保护电路还包括电阻R1和电阻R3，所述电阻R1连接于所述MOS管Q1的第二连接端和所述连接节点A之间；所述电阻R3连接于所述稳压管D2的正极和所述连接节点B之间。

进一步的，所述MOS管Q1为PMOS管，所述MOS管Q1的第一连接端、第二连接端和控制端分别为PMOS管的漏极、源极和栅极；所述三极管Q2为NPN型三极管，所述三极管Q2的第一连接端、第二连接端和控制端分别为NPN型三极管的集电极、射极和基极。

进一步的，当所述电机控制电路处于正常运行时，先由所述MOS管Q1的体二极管将所述供电电池输出的供电电压VBAT提供给所述电机驱动电路的电源端VIN，然后所述电机驱动电路的信号端输出有效控制信号给所述反向电动势保护电路的控制端c，以使所述三极管Q2导通，进而使得所述MOS管Q1导通，此时，所述稳压管D2不工作；当所述电机控制电路处于休眠模式时，由所述MOS管Q1的体二极管将所述供电电压VBAT提供给所述电机驱动电路的电源端VIN，所述电机驱动电路的信号端输出无效控制信号给所述反向电动势保护电路的控制端c，以使所述三极管Q2关断，进而使得所述MOS管Q1关断，此时，所述稳压管D2不工作；当所述电机产生反向电动势时，若所述电机驱动电路的电源端VIN的电压大于所述稳压管D2的反向击穿电压，则所述稳压管D2击穿导通，以使所述三极管Q2导通，进而使得所述MOS管Q1导通，此时，所述电机驱动电路的电源端VIN输出的反向电动势经所述MOS管Q1流入所述供电电池进行吸收。

进一步的，所述电机驱动电路为集成电路芯片，所述电机驱动电路的信号端为所述集成电路芯片的LDO端口或GPIO端口。

根据本发明的另一个方面，本发明提供一种反向电动势保护电路，其包括MOS管Q1、三极管Q2、稳压管D2和二极管D3，所述MOS管Q1的第一连接端与所述反向电动势保护电路的输入端a相连，其第二连接端与所述反向电动势保护电路的输出端b相连，其控制端与连接节点A相连；所述三极管Q2的第一连接端与所述连接节点A相连，其第二连接端接地，其控制端与连接节点B相连；所述稳压管D2的负极与所述反向电动势保护电路的输出端b相连，其正极与所述连接节点B相连；所述二极管D3的负极与所述连接节点B相连，其正极与所述反向电动势保护电路的控制端相连。

进一步的，所述电机控制电路还包括电阻R2、电阻R4、电阻R5、稳压管D1，所述电阻R2连接于所述连接节点A和所述三极管Q2的第一连接端之间；所述电阻R4连接于所述连接节点B和所述三极管Q2的控制端之间；所述电阻R5连接于所述三极管Q2的控制端和第二连接端之间；所述稳压管D1的正极与所述连接节点A相连，其负极与所述MOS管Q1的第二连接端相连。

进一步的，所述电机控制电路还包括电阻R1和电阻R3，所述电阻R1连接于所述MOS管Q1的第二连接端和所述连接节点A之间；所述电阻R3连接于所述稳压管D2的正极和所述连接节点B之间。

进一步的，所述MOS管Q1为PMOS管，所述MOS管Q1的第一连接端、第二连接端和控制端分别为PMOS管的漏极、源极和栅极；所述三极管Q2为NPN型三极管，所述三极管Q2的第一连接端、第二连接端和控制端分别为NPN型三极管的集电极、射极和基极。

与现有技术相比，本发明提供的电机控制电路及其反向电动势保护电路应用在电池供电的电机设备上，利用纯硬件来实现过压自动触发保护，可以在正常运行时实现低功耗需求，并且此电路具有电路结构更简单、成本更低、无软件、控制灵活等特点。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明在一个实施例中的电机控制系统的电路示意图；

图2为本发明在一个实施例中如图1所示的反向电动势保护电路的电路示意图。

【具体实施方式】

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的耦接、连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接相连，比如A与B相连，既包括A和B直接电性相连，还包括A通过电元器件或电路与B相连。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“正”、“背”、“左”、“右”、“竖直”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“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。

请参考图1所示，其为本发明在一个实施例中的电机控制系统的电路示意图。图1所示的电机控制系统包括电机控制电路100和电机200。

电机控制电路100包括供电电池110、反向电动势保护电路120和电机驱动电路130。其中，供电电池110用于输出供电电压VBAT，以为整个电机控制电路100供电。电机驱动电路130的输出端与电机200相连，其用于驱动电机200运转。反向电动势保护电路120的输入端a与供电电池110输出的供电电压VBAT相连，其输出端b与电机驱动电路130的电源端VIN相连，其控制端c与电机驱动电路130的信号端相连。供电电池110、反向电动势保护电路120和电机驱动电路130的地通过接地端GND连接到一起。

在图1所示的具体实施例中，电机驱动电路130为集成电路芯片，电机驱动电路130的信号端为集成电路芯片的LDO(Low Dropout Regulator，即低压差线性稳压器)端口。在另一实施例中，电机驱动电路130的信号端还可以是其它可以控制电压输出的端口，例如GPIO(General Purpose Input Output，即通用输入/输出端口)端口。

请参考图2所示，其为本发明在一个实施例中如图1所示的反向电动势保护电路的电路示意图。图2所示的反向电动势保护电路包括MOS管(metal oxide semiconductor)Q1、三极管Q2、稳压管D2和二极管D3。

其中，MOS管Q1的第一连接端与反向电动势保护电路120的输入端a(或供电电池110输出的供电电压VBAT)相连，其第二连接端与反向电动势保护电路120的输出端b(或电机驱动电路130的电源端VIN)相连，其控制端与连接节点A相连；三极管Q2的第一连接端与连接节点A相连，其第二连接端接地，其控制端与连接节点B相连；稳压管D2的负极与反向电动势保护电路120的输出端b相连，其正极与连接节点B相连；二极管D3的负极与连接节点B相连，其正极与反向电动势保护电路120的控制端(或电机驱动电路130的信号端LDO)相连。

在图2所示的具体实施例中，反向电动势保护电路120还包括电阻R2、电阻R4、电阻R5和稳压管D1，其中，电阻R2连接于连接节点A和三极管Q2的第一连接端之间；电阻R4连接于连接节点B和三极管Q2的控制端之间；电阻R5连接于三极管Q2的控制端和第二连接端之间；稳压管D1的正极与连接节点A相连，其负极与MOS管Q1的第二连接端相连。

在图2所示的具体实施例中，反向电动势保护电路120还包括电阻R1和电阻R3。其中，电阻R1连接于MOS管Q1的第二连接端和连接节点A之间；电阻R3连接于稳压管D2的正极和连接节点B之间。

在图2所示的具体实施例中，MOS管Q1为PMOS管(positive channel Metal OxideSemiconductor)，MOS管Q1的第一连接端、第二连接端和控制端分别为PMOS管的漏极、源极和栅极；三极管Q2为NPN型三极管，三极管Q2的第一连接端、第二连接端和控制端分别为NPN型三极管的集电极、射极和基极。

以下基于一个实施例，具体介绍图1所示的电机控制系统和图2所示的反向电动势保护电路的工作原理。

当电机控制电路100处于正常运行(或正常工作)时，供电电压VBAT输入至PMOS管Q1的漏极，由于PMOS管Q1的体二极管的存在，供电电压VBAT在经过一个大约1V的压降后流入电机驱动电路130的电源端VIN为电机驱动电路130(例如，集成电路芯片)供电。电机驱动电路130供电运行后其LDO端口会输出正电压3.3V(其可以称为信号端输出有效控制信号)，LDO端口的电压经过防反二极管D3后进入限流电阻R4的一端。电阻R4、R5将分压后的电压输入NPN型三极管Q2的基极处，会有一个高电压将NPN型三极管Q2打开(或导通)，NPN型三极管Q2的集电极和发射极导通相当于限流电阻R2的一端接地，此时由于电阻R2、R1的分压作用，在PMOS管Q1的栅极和源极之间会产生一个电压差从而打开(或导通)PMOS管Q1，此时供电电压VBAT经导通的PMOS管Q1提供给电机驱动电路130的电源端VIN，为电机驱动电路130供电。系统正常运行时电压不会达到稳压管D2的击穿电压，所以，稳压管D2和限流电阻R3不工作。其中，稳压管D1起到保护PMOS管Q1的作用，当PMOS管Q1的栅极和源极的电压差过大会损坏PMOS管Q1时，稳压管D1会产生击穿效应来维持电压值不变。也可以是说，当电机控制电路100处于正常运行时，先由MOS管Q1的体二极管将供电电池110输出的供电电压VBAT提供给电机驱动电路130的电源端VIN，然后电机驱动电路130的信号端输出有效控制信号给反向电动势保护电路120的控制端c，以使三极管Q2导通，进而使得MOS管Q1导通，此时，稳压管D2不工作。

当电机控制电路100由正常运行需要休眠进入低功耗模式时，电机驱动电路130会将LDO端口关闭输出(其可以称为信号端输出无效控制信号)，从而NPN型三极管Q2的基极由于电阻R5的下拉作用保持低电平从而处于关闭(或关断)状态。此时PMOS管Q1由于电阻R1的上拉作用，其栅极和源极之间的电压一致，PMOS管Q1处于关闭(或关断)状态，此时除了通过PMOS管Q1的体二极管给电机驱动电路130供电(此时电机驱动电路130功耗很低)，整个电路没有额外电流消耗。也可以是说，当电机控制电路100处于休眠模式时，由MOS管Q1的体二极管将供电电压VBAT提供给电机驱动电路130的电源端VIN，电机驱动电路130的信号端输出无效控制信号给反向电动势保护电路120的控制端c，以使三极管Q2关断，进而使得MOS管Q1关断，此时，稳压管D2不工作。

当电机200被外力转动产生反向电动势后，电机驱动电路130的电源端VIN会输出反向电动势，当电机驱动电路130的电源端VIN的电压没有超过稳压管D2的击穿电压值时，不会对电机驱动电路130造成损坏。当反向电动势继续增大，会令稳压管D2击穿导通，经过电阻R3、R4、R5分压后进入NPN型三极管Q2的基极，此时NPN型三极管Q2打开(或导通)，电阻R2的一端接地从而打开PMOS管Q1，此时电机驱动电路130的电源端VIN的电压会从PMOS管Q1的源极到漏极迅速泄放到供电电池110的输出端VBAT，进而进入供电电池110内。供电电池110会迅速吸收反向电动势令电机驱动电路130的电源端VIN的电压迅速下降，保护电机驱动电路130不会损坏。另外，防反二极管D3可以保护电机驱动电路130的电源端VIN的电压不会进入LDO端口造成损坏。也可以说，当电机200产生反向电动势时，若电机驱动电路130的电源端VIN的电压大于稳压管D2的反向击穿电压，则稳压管D2击穿导通，以使三极管Q2导通，进而使得MOS管Q1导通，此时，电机驱动电路130的电源端VIN输出的反向电动势经MOS管Q1流入供电电池110进行吸收。

综上可知，当电机控制电路100正常工作时，电机驱动电路130的LDO端口产生电压打开(或导通)反向电动势保护电路120的开关(例如，MOS管Q1和三极管Q2)，供电电压VBAT正常流过反向电动势保护电路120为后面的电机驱动电路130供电。当电机控制电路100有休眠要求时，电机驱动电路130的LDO端口输出会关闭，从而关闭(或关断)反向电动势保护电路120的开关(例如，MOS管Q1和三极管Q2)，不会消耗额外电流。当电机200被外力转动产生较大反向电动势时，会通过电机驱动电路130的电源端VIN迅速触发(或导通)反向电动势保护电路120的开关(例如，MOS管Q1和三极管Q2)，反向电动势会通过电机驱动电路130的电源端VIN流入供电电池110的VBAT端，由供电电池110进行吸收，从而令电源端VIN的电压下降，保护电机驱动电路130(例如，集成电路芯片)不受损坏。

针对本发明的上述工作原理，需要特别说明的是：

1、假如不加任何保护电路，电机驱动电路130的电源端VIN产生的反电动势也可以被供电电池110吸收，的确可以实现一样的功能，但此时就无法实现防反接；传统的防反接方式是设置一个二极管，但二极管无法控制开闭，反向电动势无法通过二极管负端流向正端进行泄放吸收，这样VIN端产生的反电动势就无法通过二极管进入供电电池110的VBAT端，就无法实现反电动势保护的功能；而本发明提供的反电动势保护电路130可以同时实现防反接、反电动势保护并且满足低发热、低功耗功能需求。

2、对于正常运行过程中，虽然一开始MOS管Q1的体二极管导通时电机驱动电路130已经通电，但是一方面体二极管能通过的电流有限，另一方面体二极管的压降要比MOS管Q1的导通压降大很多，当大电流流过时，假如不打开MOS管Q1，体二极管发热会很严重，有可能损坏，整个电路的损耗也很大。因此，正常运行时需要打开MOS管Q1。

3、对于通过LDO(或GPIO)端口控制三极管Q2，若三极管Q2不存在，，电机驱动电路130的电源端VIN通过R1和R2后接地，无法实现低功耗的要求(一般是几十uA)，而有三极管Q2后，当需要低功耗时，可以将三极管Q2关闭，电机驱动电路130的电源端VIN不会通过电阻R1和R2流向接地端GND产生额外的电流损耗。

综上所述，本发明提供的电机控制电路及其反向电动势保护电路具有如下

有益效果：

1、满足低功耗要求：在休眠状态下，本发明中的电阻R1、R2、R4、R5无电流通过，从而没有损耗。现有技术中功率电阻在休眠状态下无法关闭，因此说损耗更大一些，无法实现uA级别的低功耗需求；

2、本发明可以同时实现反电动势保护和防反接功能；

3、从反电动势保护功能上，现有专利是通过将电源线的反向电动势通过功率电阻和MOS开关泄放到GND进行保护，而本发明是将反向电动势通过MOS管Q1泄放到另一端的供电电池110，依靠供电电池110的吸收能力将反向电动势迅速吸收掉来进行保护。

4、本发明可以实现在电池供电情况下通过纯硬件对电机驱动电路130进行保护，其电路结构简单，不需要多个稳压管和三极管等外围器件，大大节省了成本，并且不包含发热器件，同时不会影响原有控制系统的正常使用和休眠低功耗要求。

需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (11)

1.一种电机控制电路，其特征在于，其包括：

供电电池，其用于输出供电电压VBAT；

电机驱动电路，其输出端与电机相连，其用于驱动所述电机运转；

反向电动势保护电路，其输入端a与所述供电电池输出的供电电压VBAT相连，其输出端b与所述电机驱动电路的电源端VIN相连，其控制端c与所述电机驱动电路的信号端相连。

2.根据权利要求1所述的电机控制电路，其特征在于，所述反向电动势保护电路包括MOS管Q1、三极管Q2、稳压管D2和二极管D3，

所述MOS管Q1的第一连接端与所述反向电动势保护电路的输入端a相连，其第二连接端与所述反向电动势保护电路的输出端b相连，其控制端与连接节点A相连；所述三极管Q2的第一连接端与所述连接节点A相连，其第二连接端接地，其控制端与连接节点B相连；所述稳压管D2的负极与所述反向电动势保护电路的输出端b相连，其正极与所述连接节点B相连；所述二极管D3的负极与所述连接节点B相连，其正极与所述反向电动势保护电路的控制端相连。

3.根据权利要求2所述的电机控制电路，其特征在于，

所述反向电动势保护电路还包括电阻R2、电阻R4、电阻R5和稳压管D1，

所述电阻R2连接于所述连接节点A和所述三极管Q2的第一连接端之间；所述电阻R4连接于所述连接节点B和所述三极管Q2的控制端之间；所述电阻R5连接于所述三极管Q2的控制端和第二连接端之间；所述稳压管D1的正极与所述连接节点A相连，其负极与所述MOS管Q1的第二连接端相连。

4.根据权利要求3所述的电机控制电路，其特征在于，

所述反向电动势保护电路还包括电阻R1和电阻R3，

所述电阻R1连接于所述MOS管Q1的第二连接端和所述连接节点A之间；所述电阻R3连接于所述稳压管D2的正极和所述连接节点B之间。

5.根据权利要求2-4任一所述的电机控制电路，其特征在于，

所述MOS管Q1为PMOS管，所述MOS管Q1的第一连接端、第二连接端和控制端分别为PMOS管的漏极、源极和栅极；

所述三极管Q2为NPN型三极管，所述三极管Q2的第一连接端、第二连接端和控制端分别为NPN型三极管的集电极、射极和基极。

6.根据权利要求2所述的电机控制电路，其特征在于，

当所述电机控制电路处于正常运行时，先由所述MOS管Q1的体二极管将所述供电电池输出的供电电压VBAT提供给所述电机驱动电路的电源端VIN，然后所述电机驱动电路的信号端输出有效控制信号给所述反向电动势保护电路的控制端c，以使所述三极管Q2导通，进而使得所述MOS管Q1导通，此时，所述稳压管D2不工作；

当所述电机控制电路处于休眠模式时，由所述MOS管Q1的体二极管将所述供电电压VBAT提供给所述电机驱动电路的电源端VIN，所述电机驱动电路的信号端输出无效控制信号给所述反向电动势保护电路的控制端c，以使所述三极管Q2关断，进而使得所述MOS管Q1关断，此时，所述稳压管D2不工作；

当所述电机产生反向电动势时，若所述电机驱动电路的电源端VIN的电压大于所述稳压管D2的反向击穿电压，则所述稳压管D2击穿导通，以使所述三极管Q2导通，进而使得所述MOS管Q1导通，此时，所述电机驱动电路的电源端VIN输出的反向电动势经所述MOS管Q1流入所述供电电池进行吸收。

7.根据权利要求1所述的电机控制电路，其特征在于，

所述电机驱动电路为集成电路芯片，

所述电机驱动电路的信号端为所述集成电路芯片的LDO端口或GPIO端口。

8.一种反向电动势保护电路，其特征在于，其包括MOS管Q1、三极管Q2、稳压管D2和二极管D3，

所述MOS管Q1的第一连接端与所述反向电动势保护电路的输入端a相连，其第二连接端与所述反向电动势保护电路的输出端b相连，其控制端与连接节点A相连；所述三极管Q2的第一连接端与所述连接节点A相连，其第二连接端接地，其控制端与连接节点B相连；所述稳压管D2的负极与所述反向电动势保护电路的输出端b相连，其正极与所述连接节点B相连；所述二极管D3的负极与所述连接节点B相连，其正极与所述反向电动势保护电路的控制端相连。

9.根据权利要求8所述的电机控制电路，其特征在于，其还包括电阻R2、电阻R4、电阻R5、稳压管D1，

所述电阻R2连接于所述连接节点A和所述三极管Q2的第一连接端之间；所述电阻R4连接于所述连接节点B和所述三极管Q2的控制端之间；所述电阻R5连接于所述三极管Q2的控制端和第二连接端之间；所述稳压管D1的正极与所述连接节点A相连，其负极与所述MOS管Q1的第二连接端相连。

10.根据权利要求9所述的电机控制电路，其特征在于，其还包括电阻R1和电阻R3，

所述电阻R1连接于所述MOS管Q1的第二连接端和所述连接节点A之间；所述电阻R3连接于所述稳压管D2的正极和所述连接节点B之间。

11.根据权利要求8-10任一所述的电机控制电路，其特征在于，

所述MOS管Q1为PMOS管，所述MOS管Q1的第一连接端、第二连接端和控制端分别为PMOS管的漏极、源极和栅极；

所述三极管Q2为NPN型三极管，所述三极管Q2的第一连接端、第二连接端和控制端分别为NPN型三极管的集电极、射极和基极。