CN203775096U - 一种直流电机驱动与保护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种直流电机驱动与保护电路，包括直流电机运行控制电路、短路保护电路、断路检测电路，具体包括光控MOS管U1、电感L1、电流传感器CS1、电机M、短路比较器IC1、断路比较器IC2、驱动三极管Q1、短路三极管Q2、限流电阻R1、基极电阻R2、阻挡稳压管DW1、输入电阻R3，晶闸管VT1等。本实用新型利用在主电路中串接小电感，延缓电流突变以可靠地进行短路保护；结合电机运行控制信号与实际电流信号能可靠判断主电路断路与否。该方法准确度高、实时性强、成本低、通用性好、可靠性高。

Description

一种直流电机驱动与保护电路

技术领域

本实用新型属于工业测控领域，涉及一种电路，特别涉及一种直流电机驱动与保护电路，适用于对核电生产设备中进行松动件监测与校验的场合。

背景技术

在核电站反应堆设备及其他生产设备中，常需监测生产设备中机械零部件的松动情况，以确保生产设备的安全运行。目前，常用的方案是：在需要被监测的生产设备上安装加速度传感器，并将加速度传感器的输出信号连接到安装在其附近的电荷放大器，再将电荷放大器的输出信号传输到控制室，同时，需定时对监测通道进行校验，为此，常在监测点附近安装用于模拟机械零部件脱落的试验撞击装置，该装置工作时是由电机-凸轮机构带动撞击部件，对生产设备进行周期性撞击，且撞击能量是预设的。现有方案的不足之处在于：撞击用的电机是安装在核电站反应堆设备上，而电机控制器是安装控制室，两者相距很远，且电机所处环境恶劣，常因发生故障，特别是电机转轴卡死等导致过载时未能及时保护而损坏电机，或导致松动件监测系统难以正常进行监测。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有技术存在的不足，提出一种用于振动测试的直流电机驱动与保护电路。该电路采用集直流电机运行控制、短路保护、断路检测报警等功能电路于一体的电路处理方案。

本实用新型包括直流电机运行控制电路、短路保护电路、断路检测电路。

直流电机运行控制电路包括负电源电容C5、正电源电容C6、限流电阻R1、基极电阻R2、输入电阻R3、偏置电阻R4、晶闸管VT1、光控MOS管U1、驱动三极管Q1、阻挡稳压管DW1、电感L1、电感二极管D1、电机二极管D2、电机M、电流传感器CS1、主电源电容C4，负电源电容C5的一端与电路负电源端VSS端连接，负电源电容C5的另一端接地，正电源电容C6的一端与电路正电源端VCC端连接，正电源电容C6的另一端接地，限流电阻R1的一端与电路正电源端VCC端连接，限流电阻R1的另一端与光控MOS管U1的正输入端+IN端连接，光控MOS管U1的负输入端-IN端与驱动三极管Q1的集电极c端连接，驱动三极管Q1的射极e端接地，驱动三极管Q1的基极b端与基极电阻R2的一端连接，基极电阻R2的另一端与阻挡稳压管DW1的阳极连接，阻挡稳压管DW1的阴极与输入电阻R3的一端、偏置电阻R4的一端及晶闸管VT1的阳极连接，偏置电阻R4的另一端与电路负电源端VSS端连接，晶闸管VT1的阴极接地，输入电阻R3的另一端与电机运行控制端UC端、前置电阻R16的一端连接，光控MOS管U1的正输出端+端与电感L1的一端、电感二极管D1的阳极连接，电感L1的另一端与电感二极管D1的阴极、主电源电容C4的正端及主电源正端+E端连接，主电源电容C4的另一端与主电源负端-E端连接，光控MOS管U1的负输出端-端经连线穿过电流传感器CS1的检测孔后与电机M的一端A1端、电机二极管D2的阴极及光耦电阻R18的一端连接，电机M的另一端A2端与主电源负端-E端连接，电机二极管D2的阳极与主电源负端-E端连接，电流传感器CS1的正电源端+V端与电路正电源端VCC端连接，电流传感器CS1的负电源端-V端与电路负电源端VSS端连接，电流传感器CS1的地端GND端接地，电流传感器CS1的输出端OUT端与短路电阻R12的一端、断路电阻R13的一端连接；

短路保护电路包括短路电阻R12、短路电容C1、限压电阻R11、左端电阻R9、右端电阻R10、过流稳压管DW2、短路比较器IC1、上拉电阻R8、驱动电阻R7、c极电阻R5、门极电阻R6、短路三极管Q2，短路电阻R12的另一端与短路电容C1的一端、短路比较器IC1的负输入端-IN端连接，短路电容C1的另一端接地，短路比较器IC1的正输入端+IN端与左端电阻R9的一端、右端电阻R10的一端连接，左端电阻R9的另一端接地，右端电阻R10的另一端与限压电阻R11的一端、过流稳压管DW2的阴极连接，限压电阻R11的另一端与电路正电源端VCC端连接，过流稳压管DW2的阳极接地，短路比较器IC1的正电源端+V端与电路正电源端VCC端连接，短路比较器IC1的负电源端-V端接地，短路比较器IC1的输出端OUT端与上拉电阻R8的一端、驱动电阻R7的一端及短路报警输出端US端连接，上拉电阻R8的另一端与电路正电源端VCC端连接，驱动电阻R7的另一端与短路三极管Q2的基极b端连接，短路三极管Q2的射极e端与电路正电源端VCC端连接，短路三极管Q2的集电极c端与c极电阻R5的一端连接，c极电阻R5的另一端与门极电阻R6的一端、晶闸管VT1的门极连接，晶闸管VT1的阴极接地，门极电阻R6的另一端接地；

断路检测电路包括断路电阻R13、断路电容C2、稳定电阻R14、分压电阻R15、前置电阻R16、上端电阻R17、稳定电容C3、偏置稳压管DW3、断路比较器IC2，断路电阻R13的另一端与断路电容C2的一端、断路比较器IC2的正输入端+IN端连接，断路电容C2的另一端接地，前置电阻R16的另一端与分压电阻R15的一端、偏置稳压管DW3的阴极连接，偏置稳压管DW3的阳极接地，分压电阻R15的另一端与稳定电阻R14的一端、稳定电容C3的一端及断路比较器IC2的负输入端-IN端连接，稳定电阻R14的另一端接地，稳定电容C3的另一端接地，断路比较器IC2的正电源端+V端与电路正电源端VCC端连接，断路比较器IC2的负电源端-V端接地，断路比较器IC2的输出端OUT端与上端电阻R17的一端、断路报警输出端UB端连接，上端电阻R17的另一端与电路正电源端VCC端连接。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型利用在主电路中串接电感防止电流突变，并于电路参数配合能确保可靠地进行短路保护；结合电机运行控制信号与实际电流信号能可靠地判断主电路的断路与否。该方法准确度高、实时性强、成本低、通用性好、可靠性高。

附图说明

图1为本实用新型的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，一种直流电机驱动与保护电路，包括直流电机运行控制电路、短路保护电路、断路检测电路。

直流电机运行控制电路包括负电源电容C5、正电源电容C6、限流电阻R1、基极电阻R2、输入电阻R3、偏置电阻R4、晶闸管VT1、光控MOS管U1、驱动三极管Q1、阻挡稳压管DW1、电感L1、电感二极管D1、电机二极管D2、电机M、电流传感器CS1、主电源电容C4，负电源电容C5的一端与电路负电源端VSS端连接，负电源电容C5的另一端接地，正电源电容C6的一端与电路正电源端VCC端连接，正电源电容C6的另一端接地，限流电阻R1的一端与电路正电源端VCC端连接，限流电阻R1的另一端与光控MOS管U1的正输入端+IN端连接，光控MOS管U1的负输入端-IN端与驱动三极管Q1的集电极c端连接，驱动三极管Q1的射极e端接地，驱动三极管Q1的基极b端与基极电阻R2的一端连接，基极电阻R2的另一端与阻挡稳压管DW1的阳极连接，阻挡稳压管DW1的阴极与输入电阻R3的一端、偏置电阻R4的一端及晶闸管VT1的阳极连接，偏置电阻R4的另一端与电路负电源端VSS端连接，晶闸管VT1的阴极接地，输入电阻R3的另一端与电机运行控制端UC端、前置电阻R16的一端连接，光控MOS管U1的正输出端+端与电感L1的一端、电感二极管D1的阳极连接，电感L1的另一端与电感二极管D1的阴极、主电源电容C4的正端及主电源正端+E端连接，主电源电容C4的另一端与主电源负端-E端连接，光控MOS管U1的负输出端-端经连线穿过电流传感器CS1的检测孔后与电机M的一端A1端、电机二极管D2的阴极及光耦电阻R18的一端连接，电机M的另一端A2端与主电源负端-E端连接，电机二极管D2的阳极与主电源负端-E端连接，电流传感器CS1的正电源端+V端与电路正电源端VCC端连接，电流传感器CS1的负电源端-V端与电路负电源端VSS端连接，电流传感器CS1的地端GND端接地，电流传感器CS1的输出端OUT端与短路电阻R12的一端、断路电阻R13的一端连接；

短路保护电路包括短路电阻R12、短路电容C1、限压电阻R11、左端电阻R9、右端电阻R10、过流稳压管DW2、短路比较器IC1、上拉电阻R8、驱动电阻R7、c极电阻R5、门极电阻R6、短路三极管Q2，短路电阻R12的另一端与短路电容C1的一端、短路比较器IC1的负输入端-IN端连接，短路电容C1的另一端接地，短路比较器IC1的正输入端+IN端与左端电阻R9的一端、右端电阻R10的一端连接，左端电阻R9的另一端接地，右端电阻R10的另一端与限压电阻R11的一端、过流稳压管DW2的阴极连接，限压电阻R11的另一端与电路正电源端VCC端连接，过流稳压管DW2的阳极接地，短路比较器IC1的正电源端+V端与电路正电源端VCC端连接，短路比较器IC1的负电源端-V端接地，短路比较器IC1的输出端OUT端与上拉电阻R8的一端、驱动电阻R7的一端及短路报警输出端US端连接，上拉电阻R8的另一端与电路正电源端VCC端连接，驱动电阻R7的另一端与短路三极管Q2的基极b端连接，短路三极管Q2的射极e端与电路正电源端VCC端连接，短路三极管Q2的集电极c端与c极电阻R5的一端连接，c极电阻R5的另一端与门极电阻R6的一端、晶闸管VT1的门极连接，晶闸管VT1的阴极接地，门极电阻R6的另一端接地；

断路检测电路包括断路电阻R13、断路电容C2、稳定电阻R14、分压电阻R15、前置电阻R16、上端电阻R17、稳定电容C3、偏置稳压管DW3、断路比较器IC2，断路电阻R13的另一端与断路电容C2的一端、断路比较器IC2的正输入端+IN端连接，断路电容C2的另一端接地，前置电阻R16的另一端与分压电阻R15的一端、偏置稳压管DW3的阴极连接，偏置稳压管DW3的阳极接地，分压电阻R15的另一端与稳定电阻R14的一端、稳定电容C3的一端及断路比较器IC2的负输入端-IN端连接，稳定电阻R14的另一端接地，稳定电容C3的另一端接地，断路比较器IC2的正电源端+V端与电路正电源端VCC端连接，断路比较器IC2的负电源端-V端接地，断路比较器IC2的输出端OUT端与上端电阻R17的一端、断路报警输出端UB端连接，上端电阻R17的另一端与电路正电源端VCC端连接。

本实用新型所使用的包括光控MOS管U1、电流传感器CS1、比较器IC1与IC2、三极管Q1及Q2等在内的所有器件均采用现有的成熟产品，可以通过市场取得。例如：光控MOS管采用AQZ262，电流传感器采用CSM系列霍尔电流传感器，比较器采用LM311，三极管采用C8550等。

本实用新型中的主要电路参数及输入输出关系如下：

图1中的电流传感器CS1的输出信号Ui与被测的电机电流I₀的关系如式（1）所示，其中的β为电流-电压转换系数（单位：V/A），U_i0为零电流时电流传感器的输出信号（单位：V）。

U_i＝U_i0+βI₀                （1）

设：过流稳压管DW2的稳压值为U_w2（单位：V），偏置稳压管DW3的稳压值为U_w3（单位：V）。则：短路比较器的阈值U_im如式（2）所示，断路比较器的阈值U_ib如式（3）所示，其中的I0m为短路电流判定值（单位：A），I₀₀为断路电流判定值（单位：A），主要取决于光耦IC3的发光侧电流。

$U_{\mathrm{im}}=\frac{R9}{R9+R10}{U}_{w2}=U_{i0}+{\mathrm{\βI}}_{0m}---\left(2\right)$

$U_{\mathrm{ib}}=\frac{R14}{R14+R15}{U}_{w3}=U_{i0}+{\mathrm{\βI}}_{00}---\left(3\right)$

因此，根据式（2）、（3），即可整定左端电阻R9、右端电阻R10、稳定电阻R14、分压电阻R15的参数，其关系式分别如式（4）、式（5）所示。

$\frac{R10}{R9}=\frac{U_{w2}}{U_{i0}+{\mathrm{\βI}}_{0m}}-1---\left(4\right)$

$\frac{R15}{R4}=\frac{U_{w3}}{U_{i0}+{\mathrm{\βI}}_{00}}-1---\left(5\right)$

此外，电感L1与短路电阻R12、短路电容C1、短路电流判定值I_0m、主电源电压E间的配合关系如式（6）所示。

$\≥\frac{3.3E}{I_{0m}}(R12\×C1)---\left(6\right)$

本实用新型工作过程如下：

（1）当来自上级控制器系统的电机运行控制信号UC为低电平时，驱动三极管Q1截止、光控MOS管也截止，电机M不工作；

（2）当来自上级控制器系统的电机运行控制信号UC为高电平时，驱动三极管Q1导通、光控MOS管也导通，此时，电机M可能有如下三种状态：

1）电机M正常运行。此时，短路报警信号US与断路报警信号UB，均为高电平，即：电机正常运行；

2）电机M不运行，且短路报警信号US为低电平。则表明电机回路发生短路或过载故障，当电机回路电路达到短路电流判定值I_0m时，则短路比较器IC1输出端OUT端为低电平、晶闸管VT1导通，阻断了驱动三极管Q1与光控MOS管，切断了对电机的供电，同时，因晶闸管为半控型器件，一旦导通后就不会因门极控制信号的改变而关断，从而实现了可靠的短路保护功能；

3）电机M不运行，且断路报警信号UB为低电平。则表明主电路发生断路故障，因主电路断路时，电流传感器CS1输出信号降到断路电流判定值，导致断路比较器IC2输出低电平报警值。

Claims (3)

1.一种直流电机驱动与保护电路，包括直流电机运行控制电路、短路保护电路、断路检测电路，其特征在于： 

直流电机运行控制电路包括负电源电容C5、正电源电容C6、限流电阻R1、基极电阻R2、输入电阻R3、偏置电阻R4、晶闸管VT1、光控MOS管U1、驱动三极管Q1、阻挡稳压管DW1、电感L1、电感二极管D1、电机二极管D2、电机M、电流传感器CS1、主电源电容C4，负电源电容C5的一端与电路负电源端VSS端连接，负电源电容C5的另一端接地，正电源电容C6的一端与电路正电源端VCC端连接，正电源电容C6的另一端接地，限流电阻R1的一端与电路正电源端VCC端连接，限流电阻R1的另一端与光控MOS管U1的正输入端+IN端连接，光控MOS管U1的负输入端-IN端与驱动三极管Q1的集电极c端连接，驱动三极管Q1的射极e端接地，驱动三极管Q1的基极b端与基极电阻R2的一端连接，基极电阻R2的另一端与阻挡稳压管DW1的阳极连接，阻挡稳压管DW1的阴极与输入电阻R3的一端、偏置电阻R4的一端及晶闸管VT1的阳极连接，偏置电阻R4的另一端与电路负电源端VSS端连接，晶闸管VT1的阴极接地，输入电阻R3的另一端与电机运行控制端UC端、前置电阻R16的一端连接，光控MOS管U1的正输出端+端与电感L1的一端、电感二极管D1的阳极连接，电感L1的另一端与电感二极管D1的阴极、主电源电容C4的正端及主电源正端+E端连接，主电源电容C4的另一端与主电源负端-E端连接，光控MOS管U1的负输出端-端经连线穿过电流传感器CS1的检测孔后与电机M的一端A1端、电机二极管D2的阴极及光耦电阻R18的一端连接，电机M的另一端A2端与主电源负端-E端连接，电机二极管D2的阳极与主电源负端-E端连接，电流传感器CS1的正电源端+V端与电路正电源端VCC端连接，电流传感器CS1的负电源端-V端与电路负电源端VSS端连接，电流传感器CS1的地端GND端接地，电流传感器CS1的输出端OUT端与短路电阻R12的一端、断路电阻R13的一端连接； 

短路保护电路包括短路电阻R12、短路电容C1、限压电阻R11、左端电阻R9、右端电阻R10、过流稳压管DW2、短路比较器IC1、上拉电阻R8、驱动电阻R7、c极电阻R5、门极电阻R6、短路三极管Q2，短路电阻R12的另一端与 短路电容C1的一端、短路比较器IC1的负输入端-IN端连接，短路电容C1的另一端接地，短路比较器IC1的正输入端+IN端与左端电阻R9的一端、右端电阻R10的一端连接，左端电阻R9的另一端接地，右端电阻R10的另一端与限压电阻R11的一端、过流稳压管DW2的阴极连接，限压电阻R11的另一端与电路正电源端VCC端连接，过流稳压管DW2的阳极接地，短路比较器IC1的正电源端+V端与电路正电源端VCC端连接，短路比较器IC1的负电源端-V端接地，短路比较器IC1的输出端OUT端与上拉电阻R8的一端、驱动电阻R7的一端及短路报警输出端US端连接，上拉电阻R8的另一端与电路正电源端VCC端连接，驱动电阻R7的另一端与短路三极管Q2的基极b端连接，短路三极管Q2的射极e端与电路正电源端VCC端连接，短路三极管Q2的集电极c端与c极电阻R5的一端连接，c极电阻R5的另一端与门极电阻R6的一端、晶闸管VT1的门极连接，晶闸管VT1的阴极接地，门极电阻R6的另一端接地； 

断路检测电路包括断路电阻R13、断路电容C2、稳定电阻R14、分压电阻R15、前置电阻R16、上端电阻R17、稳定电容C3、偏置稳压管DW3、断路比较器IC2，断路电阻R13的另一端与断路电容C2的一端、断路比较器IC2的正输入端+IN端连接，断路电容C2的另一端接地，前置电阻R16的另一端与分压电阻R15的一端、偏置稳压管DW3的阴极连接，偏置稳压管DW3的阳极接地，分压电阻R15的另一端与稳定电阻R14的一端、稳定电容C3的一端及断路比较器IC2的负输入端-IN端连接，稳定电阻R14的另一端接地，稳定电容C3的另一端接地，断路比较器IC2的正电源端+V端与电路正电源端VCC端连接，断路比较器IC2的负电源端-V端接地，断路比较器IC2的输出端OUT端与上端电阻R17的一端、断路报警输出端UB端连接，上端电阻R17的另一端与电路正电源端VCC端连接。 

2.如权利要求1所述的一种直流电机驱动与保护电路，其特征在于： 

电流传感器CS1的输出信号U_i与被测的电机电流I₀的关系如式（1）所示，其中的β为电流-电压转换系数（单位：V/A），U_i0为零电流时的电流传感器输出信号（单位：V）： 

U_i＝U_i0+βI₀             （1） 

设：过流稳压管DW2的稳压值为U_w2（单位：V），偏置稳压管DW3的稳压值为U_w3（单位：V）；则：短路比较器的阈值U_im如式（2）所示，断路比较器的阈值U_ib如式（3）所示，其中的I_0m为短路电流判定值（单位：A），I₀₀为断 路电流判定值（单位：A），I₀₀主要取决于光耦IC3的发光侧电流： 

因此，根据式（2）、（3），能够整定左端电阻R9、右端电阻R10、稳定电阻R14、分压电阻R15的参数，其关系式分别如式（4）、式（5）所示： 

此外，电感L1与短路电阻R12、短路电容C1、短路电流判定值I_0m、主电源电压E间的配合关系如式（6）所示： 

3.如权利要求1所述的一种直流电机驱动与保护电路，其特征在于： 

所述的光控MOS管U1、电流传感器CS1、短路比较器IC1、断路比较器IC2、驱动三极管Q1、短路三极管Q2均采用现有的成熟产品，光控MOS管采用AQZ262，电流传感器采用CSM系列霍尔电流传感器，短路比较器和断路比较器采用LM311，驱动三极管和短路三极管采用C8550。