CN202134889U - 无刷电动机霍尔传感器防过压反压保护装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种无刷直流电动机霍尔传感器防过压反压保护装置，属于调速电机技术领域。包括一设于无刷直流电动机内部的印刷电路板，该电路板一端通过电机引出线的连接器连接电动车控制器供电输出电源端子，另一端接无刷直流电动机霍尔传感器工作电源端子；所述印刷电路板的电路利用采用美信公司MAX6495-MAX6499/MAX6397/MAX6398系列保护器件所构成的过压反压保护电路构成，所述保护电路通过控制外部串联在电源线上的MOSFET管(金氧半场效应晶体管)可实现霍尔传感器免受瞬间高压、长时间过压或反压的破坏。

Description

无刷电动机霍尔传感器防过压反压保护装置

技术领域

本实用新型涉及调速电机技术领域，尤其是涉及一种无刷直流电动机霍尔传感器防过压反压保护装置。 

背景技术

电动车采用的直流电动机分有刷直流电动机(简称有刷电机)和无刷直流电动机(简称无刷电机)两种，由于无刷电机具有起动转矩大、功率密度高、调速性能好、体积小、噪声低、寿命长等特点，且没有换向器和电刷组成的机械换向结构，采用永磁体转子，没有励磁损耗，具有高的能量密度和效率，非常适合电动车的运行特性，成为直接轮式驱动电动车较为理想的驱动电机，因而在电动车上获得广泛的应用。 

由于无刷电机采用电子换向器代替了有刷电机的机械换向器，因而控制方法不一样。其控制线路主要是由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两部分组成。功率逻辑开关单元将电源的功率以一定逻辑关系分配给无刷电机定子上各项绕组，使电机产生持续不断的转矩。而各项绕组导通的顺序和时间主要取决于来自电机内部位置传感器的信号。无刷电机电气原理见图1所示，其中1代表位置传感器(霍尔传感器)，5代表定子绕组。 

电机内部装有能感应磁场的位置传感器在无刷电机中起着测定转子磁极位置的关键作用，为逻辑开关单元提供正确的换相信息，将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，控制电机定子绕组换相。电动车用无刷电机里的位置传感器目前使用最广泛的是霍尔传感器。市场上常见的霍尔传感器有SS40系列、OCH141、A3144等多种型号。 

霍尔传感器是基于霍尔效应原理，用半导体材料制成。它是由反向电压保护器、电压调整器、霍尔电压发生器、差分放大器、施密特触发器和集电极开路输出级组成。当磁性物体接近时，开关检测面上的霍尔元件因霍尔效应而使开关内部电路发生变化，由此识别附近有磁性物体的存在，将变化的磁信号转换成电压输出(图1中AVout、BVout、CVout端)。霍尔传感器允许的工作电压(图 1中Vcc端)范围一般在3.8～24VDC之间，工作电压最高不得超过其规定的极限电压，否则有被击穿损坏的可能。在电动车控制电路中，霍尔传感器的工作电压是由控制器采用降压提供的。 

无刷电机霍尔传感器常见的损坏形式之一是击穿短路。造成击穿短路的原因之一是由于电动车无刷电机通常在较大功率下工作，定子绕组会流过大电流，当绕组电流快速换相时，会产生很大的浪涌电压，经通过控制器传递给霍尔传感器的电源输入端或输出端，导致霍尔传感器受到高压冲击损坏；二是控制器本身电路系统及其线路设计不合理以及控制器电源设计存在缺陷导致霍尔传感器损坏；三是控制器电源电路短路导致霍尔传感器的工作电压长时间过压，将霍尔传感器击穿短路；四是外界强磁场窜入或干扰控制器电气系统电源回路而产生感应高压，造成霍尔传感器损坏；五是供电电压反接导致霍尔传感器击穿。 

中国实用新型专利CN200973066Y公开了一种电动车用电机的霍尔传感器保护板，如图2所示，该保护板上的保护电路由霍尔传感器1、二极管D、电阻Ro及导线组成，二极管D连接在霍尔传感器1的输出端Vo，电阻Ro一端与二极管D的阴极端连接，另一端与霍尔传感器1的接地端连接。当磁钢高速划过铁芯的霍尔传感器表面时，霍尔传感器输出开通，霍尔传感器内部导线感应的电动势通过其内部三极管和线路板上的电阻形成回路，由于电阻接在霍尔传感器引脚附近，分布参数引起的因素可以忽略，电阻起到限流保护的作用，由于电阻还有释放电荷功能，电机长线感应的电荷堆积不起来，从而解决霍尔传感器自身击穿的问题。当霍尔传感器输出截止时，元件内部导线感应的电动势在其输出端产生正电位，该电压被二极管所截止，不再通过外接阻容元件和分布参数形成反向电流，从而实现对霍尔传感器进行可靠的保护。该专利克服了外界强磁场窜入而产生感应高压的问题，而不能克服其他原因而造成的霍尔传感器由于瞬间高压、过压或反压造成击穿短路而被破坏的问题。 

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了解决上述问题，提供一种保护霍尔传感器免受瞬间高压、长时间过压或反压破坏无刷电机霍尔传感器的防过压反压保护装置。 

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案： 

一种无刷直流电动机霍尔传感器防过压反压保护装置，包括： 

一设于电动车无刷直流电动机内部的印刷电路板； 

所述印刷电路板一端通过电机引出线的连接器连接电动车控制器供电输出电源端子，另一端接无刷电机霍尔传感器工作电源端子；所述印刷电路板设置过压反压保护电路；所述过压反压保护电路包括过压保护开关/限幅控制器以及串联在电源线上的N沟道MOSFET(金氧半场效应晶体管)和P沟道MOSFET(金氧半场效应晶体管)。 

所述过压保护开关/限幅控制器采用MAX6495-MAX6499/MAX6397/MAX6398系列保护器件中任意一种。 

所述过压保护开关/限幅控制器的GATE引脚连接N沟道MOSFET的栅极，所述N沟道MOSFET的漏极连接有电阻三的一端以及过压保护开关/限幅控制器的IN引脚、SHDN引脚，在所述过压保护开关/限幅控制器的IN和GND间连接有无极性电容，所述电阻三另一端连接过压保护开关/限幅控制器的OVSET引脚和电阻一、电阻二之间，所述电阻一另一端连接N沟道MOSFET的源极，所述N沟道MOSFET的漏极连接P沟道MOSFET的源极，所述P沟道MOSFET的栅极连接过压保护开关/限幅控制器的GATEP引脚，所述P沟道MOSFET的漏极连接过压反压保护电路的电源输入端VIN，所述过压保护开关/限幅控制器的OUTFB引脚连接电阻四，所述电阻四的另一端连接N沟道MOSFET的源极连接过压反压保护电路的输出端VOUT，所述电阻一和电阻二并联有极性电容一以及电阻五，所述过压反压保护电路的电源输入端VIN还连接有极性电容二，所述过压保护开关/限幅控制器的GND引脚连接的接地导线均与无极性电容、有极性电容一、有极性电容二、过压保护开关/限幅控制器的GND引脚、电阻二、电阻五的一端连接。 

本实用新型的工作原理在于：当霍尔传感器工作电压超过保护电路所设置的过压门限时，控制电路拉低N沟道MOSFET的栅极，从而关断MOSFET，将霍尔传感器电路与输入电源断开；通过外部串联p沟道MOSFET替换外部电源反接保护二极管来降低功率损耗，并在电源反接时，p沟道MOSFET被关断，从而将霍尔 传感器电路与输入电源断开。 

本实用新型的有益效果是： 

1.采用MAX6495-MAX6499/MAX6397/MAX6398系列保护器件所构成的过压反压保护电路可以做到电路的小型化、集成化、低功耗，可在不改变无刷电机内部设计结构的条件下进行PCB(印刷电路板)安装。 

2.电路有较宽的直流输入电压范围：+5.5V至+72V，适用于电动车、汽车和工业产品等应用中的大电压跳变系统。 

3.电路能监视输入电压状态，在出现输入过压反压时，控制外部n沟道与p沟道MOSFET开关，隔离输出负载，有效保护霍尔传感器。电路可根据负载大小的设计要求选择最合适的外接MOSFET开关，并可根据设计需要设置调整过压保护门限以及电路参数。 

4、能够解决以下五种原因造成的霍尔传感器电路击穿而给霍尔传感器造成破坏的问题：一是由于电动车无刷电机通常在较大功率下工作，定子绕组会流过大电流，当绕组电流快速换相时，会产生很大的浪涌电压，经通过控制器传递给霍尔传感器的电源输入端或输出端，导致霍尔传感器受到高压冲击损坏；二是控制器本身电路系统及其线路设计不合理以及控制器电源设计存在缺陷导致霍尔传感器损坏；三是控制器电源电路短路导致霍尔传感器的工作电压长时间过压，将霍尔传感器击穿短路；四是外界强磁场窜入或干扰控制器电气系统电源回路而产生感应高压，造成霍尔传感器损坏；五是供电电压反接导致霍尔传感器击穿。 

附图说明

图1为背景技术中无刷电机电气原理图。 

图2为背景技术中电动车用电机的霍尔传感器保护板的结构示意图。 

图3为本实用新型电路工作原理框图。 

图4为印刷电路板中过压反压保护电路电路原理图。 

图5为含有霍尔传感器过压反压保护电路的无刷电机电气原理图。 

图中：1-霍尔传感器  2-磁钢  3-印刷电路板  4-电动车控制器  5-定子绕组 

31-过压反压保护电路310-过压保护开关/限幅控制器 

C1-无极性电容、C2-有极性电容一、C3-有极性电容二 

Q1-N沟道MOSFET Q2-P沟道MOSFET 

R1-电阻一  R2-电阻二  R3-电阻三  R4-电阻四  R5-电阻五 

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步阐述： 

如图3、图4、图5所示，一种无刷直流电动机霍尔传感器防过压反压保护装置，包括一设于电动车无刷直流电动机内部的印刷电路板3，所述印刷电路板3一端通过电机引出线的连接器连接电动车控制器4供电输出电源端子，另一端接无刷直流电动机霍尔传感器1工作电源端子；所述印刷电路板3设置过压反压保护电路31；所述过压反压保护电路31包括过压保护开关/限幅控制器310以及串联在电源线上的N沟道MOSFET(金氧半场效应晶体管)Q1和P沟道MOSFET(金氧半场效应晶体管)Q2。 

所述过压保护开关/限幅控制器310采用MAX6495-MAX6499/MAX6397/MAX6398系列保护器件中任意一种。 

所述过压保护开关/限幅控制器310的GATE引脚连接N沟道MOSFET的栅极，所述N沟道MOSFET的漏极连接有电阻三R3的一端以及过压保护开关/限幅控制器310的IN引脚、SHDN引脚，在所述过压保护开关/限幅控制器310的IN和GND间连接有无极性电容C1，所述电阻三R3另一端连接过压保护开关/限幅控制器310的OVSET引脚和电阻一R1、电阻二R2之间，所述电阻一R1另一端连接N沟道MOSFET的源极，所述N沟道MOSFET的漏极连接P沟道MOSFET的源极，所述P沟道MOSFET的栅极连接过压保护开关/限幅控制器310的GATEP引脚，所述P沟道MOSFET的漏极连接过压反压保护电路31的电源输入端VIN，所述过压保护开关/限幅控制器310的OUTFB引脚连接电阻四R4，所述电阻四R4的另一端连接N沟道MOSFET的源极连接过压反压保护电路的输出端VOUT，所述电阻一R1和电阻二R2并联有极性电容一C2以及电阻五R5，所述过压反压保护电路31的电源输入端VIN还连接有极性电容二C3，所述过压保护开关/限幅控制器 310的GND引脚连接的接地导线均与无极性电容C1、有极性电容一C2、有极性电容二C3、过压保护开关/限幅控制器310的GND引脚、电阻二R2、电阻五R5的一端连接。 

本实用新型的工作原理在于：当霍尔传感器工作电压超过保护电路所设置的过压门限时，控制电路拉低N沟道MOSFET的栅极，从而关断MOSFET，将霍尔传感器电路与输入电源断开；通过外部串联p沟道MOSFET替换外部电源反接保护二极管来降低功率损耗，并在电源反接时，p沟道MOSFET被关断，从而将霍尔传感器电路与输入电源断开。 

Claims (3)

1.一种无刷直流电动机霍尔传感器防过压反压保护装置，包括一设于电动车无刷直流电动机内部的印刷电路板，其特征在于：所述印刷电路板一端通过电机引出线的连接器连接电动车控制器供电输出电源端子，另一端接无刷直流电动机霍尔传感器工作电源端子；所述印刷电路板设置过压反压保护电路；所述过压反压保护电路包括过压保护开关/限幅控制器以及串联在电源线上的N沟道MOSFET和P沟道MOSFET、电阻一、电阻二、电阻三、电阻四、电阻五、有极性电容一、有极性电容二、无极性电容。

2.如权利要求1所述的一种无刷直流电动机霍尔传感器防过压反压保护装置，其特征在于：所述过压保护开关/限幅控制器采用MAX6495-MAX6499/MAX6397/MAX6398系列保护器件中任意一种。

3.如权利要求1或权利要求2所述的一种无刷直流电动机霍尔传感器防过压反压保护装置，其特征在于：所述过压保护开关/限幅控制器的GATE引脚连接N沟道MOSFET的栅极，所述N沟道MOSFET的漏极连接有电阻三的一端以及过压保护开关/限幅控制器的IN引脚、SHDN引脚，在所述过压保护开关/限幅控制器的IN和GND间连接有无极性电容，所述电阻三另一端连接过压保护开关/限幅控制器的OVSET引脚和电阻一、电阻二之间，所述电阻一另一端连接N沟道MOSFET的源极，所述N沟道MOSFET的漏极连接P沟道MOSFET的源极，所述P沟道MOSFET的栅极连接过压保护开关/限幅控制器的GATEP引脚，所述P沟道MOSFET的漏极连接过压反压保护电路的电源输入端VIN，所述过压保护开关/限幅控制器的OUTFB引脚连接电阻四，所述电阻四的另一端连接N沟道MOSFET的源极连接过压反压保护电路的输出端VOUT，所述电阻一和电阻二并联有极性电容一以及电阻五，所述过压反压保护电路的电源输入端VIN还连接有极性电容二，所述过压保护开关/限幅控制器的GND引脚连接的接地导线均与无极性电容、有极性电容一、有极性电容二、过压保护开关/限幅控制器的GND引脚、电阻二、电阻五的一端连接。 

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