CN214100841U - 清洁机器人的无刷直流电机过流及短路保护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种清洁机器人的无刷直流电机过流及短路保护电路，该电路包括处理器、开关模块、短路保护模块、取样模块以及无刷直流电机组件，处理器分别连接取样模块和开关模块，用于检测电机电流过流及短路信号及输出信号控制开关模块的通断状态，开关模块连接电源与无刷直流电机组件，短路保护模块连接无刷直流电机组件与取样模块；当电机出现堵转时，处理器能快速检测到过流信号，并控制电机停机，防止电机持续堵转，产生结构卡死、电机发热损坏等故障，从而实现过流保护的作用；当电机出现短路故障时，短路保护模块立即触发保护功能，迅速降低电流，防止瞬间短路电流过大而损坏电子元件及线路，从而实现电机短路保护的作用。

Description

清洁机器人的无刷直流电机过流及短路保护电路

技术领域

本实用新型涉及直流电机控制技术领域，特别涉及一种清洁机器人的无刷直流电机过流及短路保护电路。

背景技术

无刷直流电机是指无电刷和换向器(或集电环)并采用直流电源驱动的电机，一般由电机主体和驱动板组成，因取消了碳刷、滑环结构，转动时不产生火花，相对于有刷直流电机，其工作更可靠，寿命更长，因而被广泛应用，越来越多的清洁机器人的左右驱动轮及吸尘风机开始采用无刷直流电机。

用于清洁机器人驱动轮的无刷直流电机组件一般由5根引线进行控制，分别是电源线V+、地线V-、旋转方向控制线CW/CCW、控制调速线PWM、测速脉冲信号线FG，而用于清洁机器人吸尘风机的无刷直流电机组件则一般由4根引线(V+、V-、PWM、FG)控制。但是，这些应用于清洁机器人的无刷直流电机组件并没有输出一个过流检测信号，组件本身也没有过流保护功能，清洁机器人工作过程中如遇到毛发绳索等异物缠绕电机引起堵转时，如不及时停止电机工作，则不仅会造成电机及机械装置的损坏，而且可能会破坏家居环境，甚至会对使用者造成人身伤害，如身体挤压、夹伤等。目前市场上无刷直流电机堵转保护的方法和电路主要是通过电流检测堵转再通过控制PWM来实现的，例如，专利申请号CN201610877393.3的中国专利，公开了一种无刷直流电机快速堵转保护方法及电路，其采用了电流取样、阈值设置及比较、RS触发器、单稳态触发器、上电复位电路、与非门等逻辑电路过流触发保护，通过控制PWM 信号闭锁方式实现堵转保护，其方法没有关断无刷直流电机组件的电源，堵转保护后无刷直流电机组件仍存在功率消耗，不利环保节能，同时其方法所用元器件较多，电路复杂，实现成本较高，所以该模式不适用于低成本的家用清洁机器人的无刷直流电机保护。另外，已有的无刷直流电机堵转保护电路没有考虑电机短路时的电路保护，电流取样电阻一般取值很小(毫欧级)，当机器人进水或导体异物导致电机意外短路时，瞬间短路电流可以达到几十安培以上，会损坏电机电源回路中的开关元件、取样电阻、导线，甚至会引发元件线路起火燃烧，具有较高风险。

实用新型内容

鉴于现有技术的状况，本实用新型提供一种清洁机器人的无刷直流电机过流及短路保护电路，通过对无刷电机的电流进行取样，再经处理器预设的阈值进行比较，最后处理器通过控制开关模块，用关断电机电源的方式实现过流保护；当电机发生短路故障，瞬间大电流触发短路保护模块动作从而限制电流至安全范围，同时处理器通过取样电路取得短路信号后，也会通过控制开关模块来关断电机电源，实现电机短路双重保护；本方法电路简单，成本低廉，便于实现，具有较高的经济价值。

为实现上述目的，本实用新型提供一种清洁机器人的无刷直流电机过流及短路保护电路，包括：处理器、开关模块、短路保护模块、取样模块以及无刷直流电机组件；

所述处理器U1，分别连接取样模块、开关模块和无刷电机组件，用于输出PWM信号控制电机转速、输出CW/CCW信号控制电机旋转方向、输入检测电机转速FG信号、输入检测电机过流ADC信号，以及输出控制信号PWR_EN控制开关模块的开通与关断；

所述开关模块连接电源与无刷直流电机组件,用作无刷直流电机组件的电源开关；

所述短路保护模块连接无刷直流电机组件与取样电路。

优选的，所述开关模块包括第一晶体管Q1、第一电阻R1、第二电阻 R2、第三电阻R3、第四电阻R4和第二晶体管Q2；所述第一晶体Q1的源极连接电源VBAT，并连接所述第一电阻R1的一端；所述第一晶体管Q1的漏极连接无刷直流电机的电源端V+；所述第一晶体管Q1的栅极与所述第一电阻R1的另一端、第二电阻R2的一端相连；所述第二晶体管Q2的集电极连接第二电阻R2的另一端；所述第二晶体管Q2的发射极接地；所述第二晶体管Q2的基极与所述第三电阻R3、第四电阻R4的一端相连于一点；所述第四电阻R4另一端接地；所述第三电阻R3另一端连接所述处理器的输出I/O1。

可选的，所述第一晶体管包括P沟道型场效应管或PNP型三极管。

可选的，所述第二晶体管包括NPN型三极管或N沟道型场效应管。

优选的，所述短路保护模块为PTC自恢复保险丝；所述短路保护模块PTC的一端与所述无刷直流电机组件的V-地端、第一二极管D1的正极相连于一点；所述短路保护模块PTC的另一端与第五电阻R5、第六电阻 R6、第三电容C3的一端相连于一点。

优选的，所述PTC自恢复保险丝的选用原则：PTC的关断电流(Itrip) 要大于所述无刷直流电机的最大堵转电流，电机堵转时不要触发PTC保护，但也不能过大而影响短路保护动作的灵敏度。

可选的，所述短路保护模块PTC包括自恢复保险丝PPTC或CPTC。

优选的，取样模块包括第一取样电路、第二取样电路、RC滤波电路、放大电路；所述第一取样电路包括第五电阻R5，用作电机的电流取样电阻，将电流信号变换为电压信号；所述第二取样电路包括第一二极管D1、第七电阻R7、第八电阻R8、第六电阻R6和第五电阻R5，构成分压电路，所述第五电阻R5与第六电阻R6共同用作所述第二取样电路的短路信号电压取样电阻；所述RC滤波电路包括第六电阻R6、第十一电阻R11、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5和第六电容C6；所述放大电路包括第二芯片U2、第九电阻R9和第十电阻R10；所述第五电阻R5、第三电容 C3、第四电容C4、第八电阻R8、第九电阻R9和第六电容C6的一端一并接地；所述第一二极管D1的负极与所述第七电阻的一端相连；所述第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第四电容C4的另一端与所述第二芯片 U2的同相端相连于一点；所述第十电阻R10、第五电容C5、第十一电阻 R11的一端与所述第二芯片U2的输出端相连于一点；所述第九电阻R9、第十电阻R10、第五电容C5的另一端与所述第二芯片U2的反相端相连于一点；所述第十一电阻R11、第六电容C6的另一端与所述处理器U1的输入端口IO2连接。

可选的，在一些实施例中，所述放大电路包括集成运算放大器电路，或其它类型放大器电路。

可选的，在一些实施例中，所述取样模块中可删除放大电路，取样信号不经放大而直接输入到处理器。

优选的，本实用新型技术方案，还提供一种清洁机器人的无刷直流电机过流及短路保护电路的应用方法，包括如下具体应用方法：

在清洁机器人工作时，无刷直流电机组件的电流流经所述取样电阻 R5，经过滤波电路及放大电路后输入到处理器的ADC端口，此信号会小于处理器预设的阈值，两者比较之后，处理器维持正常工作；当电机出现堵转而电流增大时，处理器通过第一取样电路及放大电路快速检测到此大电流信号，处理器用预设的阈值与之作比较，如超过阈值1，则通过输出端口IO1输出高电平信号控制开关模块截止，关断无刷直流电机组件的电源，从而使电机停机，防止电机持续堵转，产生结构卡死、发热损坏等故障产生，从而实现过流保护的作用，因关断了电机电源，同时具有节能的作用；当电机出现短路故障时，电流瞬间变大，达到短路保护模块PTC的关断电流限值，PTC发热电阻迅速增大，根据欧姆定律 I＝U/R，电路电流必然相应降低，从而防止瞬间短路电流过大而损坏电路元件，实现电机短路保护的作用；同时，在电机短路后，PTC发热电阻迅速增大而远大于电路回路其它元件内阻及取样电阻，导致电源压降都施加在PTC两端，此时，通过第二取样电路及放大电路可以将此短路信号输入到处理器，处理器用预设的阈值与之作比较，如超过阈值2，则通过输出端口IO1输出高电平信号控制开关模块截止，关断无刷直流电机组件的电源，可以避免保护模块PTC因温度升降而出现的循环通/断现象，起到电机短路双重保护的作用。

优选的，处理器预设的阈值2>阈值1>电机工作电流。

可选的，在一些实施例中，清洁机器人检测到电机堵转时，并不会立即关断电机电源进行保护，而会增加一些判断条件，例如，当电机堵转维持时间超过60秒之后才会触发保护功能，以减少误触发，提高产品的使用体验效果。

与现有技术相比，本实用新型至少包括以下有益效果：

(1)无论是无刷直流电机堵转过流或是电机短路，都可以实现保护，符合安规要求，极大地提高了产品工作的可靠性、安全性；

(2)本实用新型电路采用控制开关模块的方法实现无刷直流电机过流及短路保护动作，电路简单，成本低廉，方便导入实现。

附图说明

图1为本实用新型一种清洁机器人的无刷直流电机过流及短路保护电路一实施例的结构框图；

图2为图1中无刷直流电机过流及短路保护电路一实施例的结构框图的具体电路图；

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，此处所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，在本实用新型中如涉及“第一”、“第二”、“IO1”、“IO2”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，不应理解为对本实用新型实施例的限定，后续对此不再一一说明。

图1是本实用新型实施例提供的一种清洁机器人的无刷直流电机过流及短路保护电路的结构框图。如图1所示，该无刷直流电机过流及短路保护电路100包括处理器10、取样模块20、短路保护模块30、开关模块50以及无刷直流电机组件40。其中，处理器10分别连接取样模块 20和开关模块50，开关模块50连接电源200与无刷直流电机组件40，短路保护模块30连接无刷直流电机组件40与取样模块20。

在本实用新型实施例中，当电机出现堵转时，通过取样模块20将过流电流信号转换为电压信号输入给处理器10，处理器10输出信号控制开关模块50关断电源从而控制无刷直流电机组件40停机；当电机出现短路故障时，瞬间大电流触发短路保护模块30短路保护功能，同时，在出现短路故障时，通过取样模块20将短路信号发给处理器，处理器 10通过输出端口输出控制信号关断开关模块50，切断无刷直流电机组件40的电源。

图2是本实用新型无刷直流电机过流及短路保护电路一实施例的具体电路图。如图2所示，该无刷直流电机过流及短路保护电路100包括处理器10、开关模块50、取样模块20、短路保护模块30以及无刷直流电机组件40。

处理器10的端口IO2、IO1、IO3、IO4和IO5分别连接取样模块20、开关模块50和无刷电机组件40，用于输出PWM信号控制无刷电机的转速、输出CW/CCW信号控制无刷电机的旋转方向、输入FG信号检测无刷电机转速、输入ADC信号检测电机过流及短路，以及输出PWR_EN控制信号控制开关模块的开通与关断。

在本实施例中，处理器10可以是任何合适类型具有运算能力的集成电路芯片，例如：单片机、微处理器、可编程逻辑控制器等等。

开关模块50包括第一晶体管Q1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和第二晶体管Q2；其中，第一晶体Q1的源极连接电源200，并连接第一电阻R1的一端；第一晶体管Q1的漏极连接无刷直流电机40的V+电源端；第一晶体管Q1的栅极与第一电阻R1的另一端、第二电阻R2的一端相连于一点；第二晶体管Q2的集电极连接第二电阻R2的另一端；第二晶体管Q2的发射极接地；第二晶体管Q2的基极与第三电阻R3、第四电阻R4的一端相连于一点；第四电阻R4另一端接地；第三电阻R3另一端连接处理器10的I/O1输出端口。

在本实施例中，第一晶体管采用P沟道型场效应管，第二晶体管采用NPN型三极管。

在一些实施例中，第一晶体管可以是PNP型三极管，第二晶体管可以是N沟道型场效应管。

短路保护模块30为PTC自恢复保险丝；PTC的一端与无刷直流电机组件40的V-地端、第一二极管D1的正极相连于一点；PTC的另一端与第五电阻R5、第六电阻R6、第三电容C3的一端相连于一点。

需要说明的是，在本实施方式中，PTC自恢复保险丝可以根据用户的实际电机规格进行选择，PTC的关断电流值要稍大于电机堵转电流值，使电机堵转时不触发PTC保护，但也不能过大而影响短路保护动作的灵敏度；例如，若无刷直流电机的最大堵转电流为2安培，则可以选用关断电流值为2.2安培的PTC。

在一些实施例中，短路保护模块30可以是任何合适类型的自恢复保险丝，包括PPTC或CPTC等等。

取样模块20包括第一取样电路、第二取样电路、RC滤波电路、放大电路；第一取样电路包括第五电阻R5，用作电机的电流取样电阻，将电流信号变换为电压信号；第二取样电路包括第一二极管D1、第七电阻 R7、第八电阻R8、第六电阻R6和第五电阻R5，构成分压电路，第五电阻R5与第六电阻R6共同用作第二取样电路的短路信号电压取样电阻； RC滤波电路包括第六电阻R6、第十一电阻R11、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5和第六电容C6；放大电路包括第二芯片U2、第九电阻R9和第十电阻R10。其中，第五电阻R5、第三电容C3、第四电容C4、第八电阻R8、第九电阻R9和第六电容C6的一端一并接地；第一二极管 D1的负极与第七电阻的一端相连；第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第四电容C4的另一端与第二芯片U2的同相端相连于一点；第十电阻R10、第五电容C5、第十一电阻R11的一端与第二芯片U2的输出端相连于一点；第九电阻R9、第十电阻R10、第五电容C5的另一端与第二芯片U2的反相端相连于一点；第十一电阻R11、第六电容C6的另一端与处理器10的IO2输入端口连接。

在本实施例中，第一取样电路中的第五电阻R5用作电流取样电阻，其阻值可以根据用户的需求进行选择，其取值范围一般为10mΩ-330m Ω，本实施方式并不限定。

在本实施例中，第二取样电路中的第一二极管D1、第七电阻R7与第八电阻R8、第六电阻R6、第五电阻R5，形成分压电路用作短路信号检测；需要说明的是，在本实施方式中，第七电阻R7、第八电阻R8、第六电阻R6的阻值大小可以根据用户的需求设定，本实施方式并不限定，但是，所选阻值必须确保：在电机短路时通过第二取样电路分压取得的短路信号电压要大于电机堵转时通过第一取样电路取得的过流信号电压，以便处理器识别分辨。

在本实施例中，放大电路可以是同相比例运算放大器电路，也可以是其它类型放大器电路；需要说明的是，在本实施方式中，放大电路的放大倍数可以根据用户的需求设定，本实施方式并不限定，但放大后的信号电压不可大于处理器10的最大输入电压VIH。

在一些实施例中，取样模块中也可以删除放大电路，取样信号不经放大而直接输入到处理器10的ADC端口。

本实施例无刷直流电机过流及短路保护电路100工作原理如下：

A、清洁机器人正常工作时，无刷直流电机组件40的电流流经第一取样电路的取样电阻R5，转换为电压信号，经过各级滤波电路及放大电路放大后输入到处理器10的ADC端口，此信号会小于处理器10预设的阈值，两者比较之后，处理器10维持正常工作；此时，短路保护模块 30的电阻非常小，为毫欧级，其两端电压也非常小，第二取样电路中的第一二极管处于截止状态，第二取样电路不起作用；

B、当无刷直流电机组件40出现堵转而电流增大时，处理器10通过第一取样电路及放大电路快速检测到此大电流信号，处理器10用预设的阈值与之作比较，如超过阈值1，则通过输出端口IO1输出高电平信号控制开关模块50截止，关断无刷直流电机组件40的电源，从而使电机停机；

C、当电机出现短路故障时，电流瞬间变大，达到PTC短路保护模块30的关断电流限值，PTC发热电阻迅速增大，根据欧姆定律I＝U/R，电路电流必然相应降低，从而防止瞬间短路电流过大而损坏电路元件，实现电机短路保护的作用；

D、在电机短路后，PTC发热电阻迅速增大而远大于电路回路其它元件内阻以及取样电阻，导致电源压降都施加在PTC两端，此时，第二取样电路中的第一二极管导通，通过第二取样电路的分压取得短路信号，再经过放大电路后输入到处理器10，处理器10用预设的阈值与之作比较，如超过阈值2，则通过输出端口IO1输出高电平信号控制开关模块 50截止，关断无刷直流电机组件40的电源，可以避免保护模块PTC因温度升降而出现的循环通/断现象，起到电机短路双重保护的作用。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的思路下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或对其中部分技术特征进行等同替换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种清洁机器人的无刷直流电机过流及短路保护电路，其特征在于，包括处理器、取样模块、短路保护模块、开关模块以及无刷直流电机组件；

所述处理器，分别连接取样模块、开关模块和无刷直流电机组件，用于检测电机转速信息、电机过流及短路信息，用于控制电机转速、电机旋转方向，以及通过控制开关模块来开通或关断无刷直流电机组件的电源；

所述开关模块，分别连接电源与无刷直流电机组件，用作无刷直流电机组件的电源开关；

所述取样模块，分别连接短路保护模块与处理器，用于取得电机过流与短路信息，并传输给处理器；

所述短路保护模块，分别连接无刷直流电机组件与取样电路，用于电机短路保护。

2.根据权利要求1所述的无刷直流电机过流及短路保护电路，其特征在于，所述取样模块包括第一取样电路、第二取样电路、RC滤波电路、放大电路；

所述第一取样电路用作电机的电流取样电阻，将电流信号变换为电压信号，所述第二取样电路用作电机短路的分压取样电路，所述第一取样电路与所述第二取样电路的输出信号都连接至放大电路的同相输入端，经放大及滤波后连接处理器的ADC输入端口。

3.根据权利要求2所述的无刷直流电机过流及短路保护电路，其特征在于，所述第一取样电路包括第五电阻，所述第五电阻的一端与短路保护模块相连接，另一端接地。

4.根据权利要求2所述的无刷直流电机过流及短路保护电路，其特征在于，所述第二取样电路包括第一二极管、第七电阻、第八电阻、第六电阻和第五电阻，所述第一二极管与第七电阻串联，其一端与短路保护模块的一端、无刷直流电机组件的V-地端相连接，另一端与第六电阻、第八电阻的一端以及放大电路同相输入端相连接，所述第六电阻的另一端与第五电阻、短路保护模块的另一端相连接。

5.根据权利要求3所述的无刷直流电机过流及短路保护电路，其特征在于，所述短路保护模块为PTC自恢复保险丝，其关断电流(Itrip)要大于所述无刷直流电机的最大堵转电流。

6.根据权利要求1所述的无刷直流电机过流及短路保护电路，其特征在于，所述开关模块包括第一晶体管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第二晶体管；

所述第一晶体的源极连接电源，并连接所述第一电阻的一端；所述第一晶体管的漏极连接无刷直流电机组件的V+电源端；所述第一晶体管的栅极与所述第一电阻的另一端、第二电阻的一端相连；所述第二晶体管的集电极连接第二电阻的另一端；所述第二晶体管的发射极接地；所述第二晶体管的基极与所述第三电阻、第四电阻的一端相连于一点；所述第四电阻另一端接地；所述第三电阻的另一端连接所述处理器的输出端口。

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