CN214900158U - 升降桌的硬件过流保护控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种升降桌的硬件过流保护控制系统，具有用于供电的电机电源单元，以及由电源开关单元、电机功率驱动单元、电机、电流检测单元、过流保护设置单元、单片机和按键开关单元组成的环形回路；所述单片机和电机功率驱动单元之间连接有信号驱动单元；所述过流保护设置单元的输出端连接电源开关单元的输入端。本实用新型具备更短的保护响应时间，同时极大降低了由于保护不及时导致的线路板和电机烧坏，甚至冒烟、起火的风险。

Description

升降桌的硬件过流保护控制系统

技术领域

本实用新型属于家具用品技术领域，特别涉及一种升降桌的硬件过流保护控制系统。

背景技术

目前普遍使用过流保护的方法是，单片机通过ADC(模拟到数字信号转换)模块采集电机电流，当采集到的电流值超过程序预设值时，单片机采取输出关断控制信号，从而输出关断电机驱动单元信号，最终关断电机供电达到防止电机异常工作的目的，也就是通过软件方式来进行的异常过流保护。然而现有技术存在以下缺点：

a.目前升降桌控制器普遍采用的只是通过软件处理来采取的过流保护，具有保护响应时间受单片机软件处理时间影响的缺点，从单片机ADC(模拟到数字信号转换)模块采集到电机电流开始，到单片机开始处理并输出保护信号结束，中间存在软件响应的时间，而且这个响应时间，如果软件处理不得当，会进一步延长保护信号的输出，那么就极大的加大了由于保护不及时导致过流损坏电机或者烧坏控制板的风险。

b.如果MCU(单片机)模块电源和布局处理的不合理的时候，并且当电机大电流运行时，会导致单片机供电不干净，很容易影响MCU(单片机)的正常工作。也就无法输出正常的控制逻辑信号和保护信号，那么结果就是电机整个系统失控，烧坏电机和控制板，更严重的会引起火灾。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种具备更短的保护响应时间，同时极大降低了由于保护不及时导致的线路板和电机烧坏，甚至冒烟、起火的风险的升降桌的硬件过流保护控制系统。

实现本实用新型目的的技术方案是：一种升降桌的硬件过流保护控制系统，具有用于供电的电机电源单元，以及由电源开关单元、电机功率驱动单元、电机、电流检测单元、过流保护设置单元、单片机和按键开关单元组成的环形回路；所述单片机和电机功率驱动单元之间连接有信号驱动单元；所述过流保护设置单元的输出端连接电源开关单元的输入端。

上述技术方案所述按键开关单元包括按键S1和S2，二极管D5、D6、D7和D8；所述按键S1和S2的一端均与5V电平相连，且按键S1的另一端分别通过二极管D5、D6连接至单片机的输入端和电源开关单元的输入端。按键S2的另一端分别通过二极管D7、D8连接至单片机的输入端和电源开关单元的输入端。

上述技术方案所述电源开关单元包括三极管Q72，场效应管Q10、Q11和继电器线圈K1；所述三极管Q72的基极通过电阻R15与过流保护输出信号OCP_output相连，且基极和发射极之间通过电阻R16相连，其集电极与按键输出信号Relay_CTL相连；所述继电器线圈K1的一端通过并联的电阻R14、R16连接至电路系统母线电压源Vbus，另一端通过电阻R79连接场效应管Q10、Q11后接地，继电器线圈K1的两端并联有二极管D3；所述按键输出信号Relay_CTL通过二极管D4与电阻R75、R76、R77、R78相连；所述电阻R75、R76并联后与场效应管Q10相连；所述电阻R77、R78并联后与场效应管Q11相连，所述电路系统母线电压源Vbus连接到电路系统母线电压源Vbus_output。

上述技术方案所述电机功率驱动单元为H桥电机驱动电路。

上述技术方案所述电流检测单元包括运算放大器IC1，采样信号M1_SAMPING通过运算放大器IC1分两路M1_ADC、M1_OCP_SET,分别输出至单片机和过流保护设置单元。

上述技术方案所述过流保护设置单元包括运算放大器IC2；所述运算放大器IC2的正极输入端与过流保护信号M1_OCP_SET相连，负极输入端与由电阻R22和R21构成的分压电路相连。

采用上述技术方案后，本实用新型具有以下积极的效果：

(1)本实用新型的保护信号可以不经过单片机内部软件处理，直接输出到电源开关单元，可以第一时间切断电机电源，具有更短的保护响应时间和更强的抗干扰能力；

(2)本实用新型具备更短的保护响应时间，同时极大降低了由于保护不及时导致的线路板和电机烧坏，甚至冒烟、起火的风险；

(3)本实用新型只有通过长按下按键开关单元按键时，电机才会接通电源，按键松开时，电机电源同时切断；这样可以在无人操作的情况下，电机始终处于断电状态；同时可以避免由于单片机损坏、程序跑飞错乱的情况下，误发电机控制信号导致电机误动作的风险。

(4)本实用新型由于在没有操作按键开关单元的情况，电源开关单元的开关始终处于断开状态，电机驱动功率电路和电机也始终处于断开电源的状态，这可以避免功率器件存在漏电流的问题，并且也减少了控制系统整体的待机功耗。

(5)本实用新型的过流保护设置单元可以灵活调节过流保护点的大小，使其电流检测适用于更宽的电流范围。

附图说明

为了使本实用新型的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明，其中

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的按键开关单元原理图；

图3为本实用新型的电源开关单元原理图；

图4为本实用新型的信号驱动单元电路图；

图5为本实用新型的电机功率驱动单元的电路图；

图6为本实用新型的电流检测单元的电路图；

图7为本实用新型的过流保护设置单元的电路图。

具体实施方式

见图1至图7，本实用新型具有用于供电的电机电源单元2，以及由电源开关单元3、电机功率驱动单元5、电机9、电流检测单元6、过流保护设置单元7、单片机8和按键开关单元1组成的环形回路；单片机8和电机功率驱动单元5之间连接有信号驱动单元4；过流保护设置单元7的输出端连接电源开关单元3的输入端。

按键开关单元1包括按键S1和S2，二极管D5、D6、D7和D8；按键S1和S2的一端均与5V电平相连，且按键S1的另一端分别通过二极管D5、D6连接至单片机8的输入端和电源开关单元3的输入端。按键S2的另一端分别通过二极管D7、D8连接至单片机8的输入端和电源开关单元3的输入端。

当按下按键S1时，开关闭合，5V电平信号有两路输出：一路输出S1_output，接到单片机，可以给单片机一个命令信号，来控制电机的正传(假设)。另一路5V信号输出到Relay_CTL,Relay_CTL连接到模块3电源开关单元。

同理，当按下按键S2时，开关闭合，5V电平信号有两路输出：一路输出S2_output，接到单片机，可以给单片机一个命令信号，来控制电机的反传(假设)。另一路5V信号输出到Relay_CTL,Relay_CTL连接到模块3电源开关单元。

电源开关单元3包括三极管Q72，场效应管Q10、Q11和继电器线圈K1；三极管Q72的基极通过电阻R15与过流保护输出信号OCP_output相连，且基极和发射极之间通过电阻R16相连，其集电极与按键输出信号Relay_CTL相连；继电器线圈K1的一端通过并联的电阻R14、R16连接至电路系统母线电压源Vbus，另一端通过电阻R79连接场效应管Q10、Q11后接地，继电器线圈K1的两端并联有二极管D3；按键输出信号Relay_CTL通过二极管D4与电阻R75、R76、R77、R78相连；电阻R75、R76并联后与场效应管Q10相连；电阻R77、R78并联后与场效应管Q11相连，电路系统母线电压源Vbus连接到电路系统母线电压源Vbus_output。

电源开关单元3主要是通过按键输出信号Relay_CTL和过流保护信号OCP_output，来控制母线电源Vbus的开关，也就是控制Vbus_output是否有输出。

工作原理：Vbus是电路系统母线电压源。电机无过流状态时，过流保护信号OCP_output一直为低电平，那么三极管Q72一直为关断状态。

当任意一个按键按下时，Relay_CTL为+5V高电平，然后通过二极管D4流入C72，C73电容，电容充满电后，电阻R75，R76，R77，R78为+5V高电平。此时场效应管Q10，Q11导通。继电器线圈回路导通，也就是电流从R14、R16流入K1继电器线圈，然后经过电阻R79，最后流过场效应管Q10，Q11，最终到GND。然后继电器吸合，母线电源Vbus连接到Vbus_output。然后电机在单片机的控制下进行转动。

此时，如果电机的负载变大后，电流达到过流保护点时，过流保护信号OCP_output为高电平，此时三极管Q72导通。Relay_CTL被迅速拉到低电平GND。那么NPN场效应管Q10和Q11关断，K1继电器线圈回路断开，继电器触点也就断开。Vbus_output无输出，电机停止转动。

当按键无操作时，Relay_CTL为低电平。场效应管Q10和Q11处于关断状态。继电器输出网络Vbus_output无输出。

信号驱动单元4是将从单片机出来的+5V电平控制信号转换为14V电平信号，14V电平信号用来直接驱动电机功率驱动单元的场效应管。U8集成芯片是用来进行电平转换功能。输入TIM1_CH1_A、TIM1_CH1N_A、TIM1_CH1_B、TIM1_CH1N_B是幅值为+5V的PWM(脉冲宽度调制)信号。经过U8输出GH_A、GL_A、GH_B、GL_B是幅值为+14V的PWM(脉冲宽度调制)信号。并且GH_A与GL_A信号互补，同时GH_B与GL_B互补。

电机功率驱动单元5为H桥电机驱动电路。主要作用就是使电机可以以不同速度进行正反转。

输入：GH_A,GLA,GH_B,GL_B是信号驱动单元的输出，Vbus_output是电源开关模块的输出，作为电机的电源。

输出：M+和M-接电机的正负两端。

当场效应管Q16B和Q17A关闭，Q16A和Q17B导通，电流从Vbus_output流过Q16A、M+、M-、Q17B再到M1_SAMPING然后流到GND。电机正传。

当场效应管Q16B和Q17A开通，Q16A和Q17B关闭，电流从Vbus_output流过Q17A、M-、M+、Q16B再到M1_SAMPING然后流到GND。电机反传。

本硬件过流保护系统可以直接加在目前常用的软件过流保护方案中，具有更加可靠的过流双重保护系统。

电流检测单元6包括运算放大器IC1，采样信号M1_SAMPING通过运算放大器IC1分两路M1_ADC、M1_OCP_SET,分别输出至单片机8和过流保护设置单元7。运算放大器IC1将电机电流通过放大，以电压信号表示电流的大小，分两路输出，一路是M1_ADC信号接入单片机处理，另一路是M1_OCP_SET,接入过流保护设置单元。当作过流保护设置单元的电流输入。

过流保护设置单元7包括运算放大器IC2；运算放大器IC2的正极输入端与过流保护信号M1_OCP_SET相连，负极输入端与由电阻R22和R21构成的分压电路相连。

过流保护设置单元7是使用运算放大器设计成的比较器。电阻R22和R21构成分压电路，通过改变R21和R22可以设置0-+5V之间的任意电压值。也是通过分压来调整硬件过流保护系统的过流保护点的大小。

当过流保护信号M1_OCP_SET的电压小于分压值时，过流保护设置单元输出OCP_output为低电平。低电平不关断电源开关单元的电源，电机通过按键控制仍可运行。

当过流保护信号M1_OCP_SET的电压大于等于分压值时，过流保护设置单元输出OCP_output为+5V高电平。此时高电平输出OCP_output到电源开关单元，Q72三极管导通。强制关断继电器线圈回路。电源开关单元无电源输出到电机上。使电机停止运行。

该系统包括以下工作步骤：

1.系统上电后，长按下按键开关单元的按键(手控器)，此时信号一路输出到电源开关单元，另一路信号输出到单片机。按键开关单元无操作，电源开关单元开关始终断开，电机始终处于断电状态。

2.电源开关单元接收到按键信号后，开关闭合，电源通过开关连接到电机功率驱动单元。单片机接收到按键信号后，通过软件处理输出电机控制信号到信号驱动单元，信号驱动单元通过电平转换输出信号到电机功率输出单元，然后电机开始转动；

3.电流检测单元时刻监测电机电流，并实时传输到过流保护设置单元；

4.当监测到的电流值超过电流检测单元的预设值时，过流保护信号一路输出到单片机，一路输出到电源开关单元；

5.单片机接收到保护信号之后，输出电机停止运行信号到信号驱动单元，停止驱动电机运行；电源开关单元接收到过流保护信号后，直接关断电源开关单元的开关，切断电机功率控制单元的电源，从而使电机停止运行。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种升降桌的硬件过流保护控制系统，其特征在于：具有用于供电的电机电源单元(2)，以及由电源开关单元(3)、电机功率驱动单元(5)、电机(9)、电流检测单元(6)、过流保护设置单元(7)、单片机(8)和按键开关单元(1)组成的环形回路；所述单片机(8)和电机功率驱动单元(5)之间连接有信号驱动单元(4)；所述过流保护设置单元(7)的输出端连接电源开关单元(3)的输入端。

2.根据权利要求1所述的升降桌的硬件过流保护控制系统，其特征在于：所述按键开关单元(1)包括按键S1和S2，二极管D5、D6、D7和D8；所述按键S1和S2的一端均与5V电平相连，且按键S1的另一端分别通过二极管D5、D6连接至单片机(8)的输入端和电源开关单元(3)的输入端，按键S2的另一端分别通过二极管D7、D8连接至单片机(8)的输入端和电源开关单元(3)的输入端。

3.根据权利要求1所述的升降桌的硬件过流保护控制系统，其特征在于：所述电源开关单元(3)包括三极管Q72，场效应管Q10、Q11和继电器线圈K1；所述三极管Q72的基极通过电阻R15与过流保护输出信号OCP_output相连，且基极和发射极之间通过电阻R16相连，其集电极与按键输出信号Relay_CTL相连；所述继电器线圈K1的一端通过并联的电阻R14、R16连接至电路系统母线电压源Vbus，另一端通过电阻R79连接场效应管Q10、Q11后接地，继电器线圈K1的两端并联有二极管D3；所述按键输出信号Relay_CTL通过二极管D4与电阻R75、R76、R77、R78相连；所述电阻R75、R76并联后与场效应管Q10相连；所述电阻R77、R78并联后与场效应管Q11相连，所述电路系统母线电压源Vbus连接到电路系统母线电压源Vbus_output。

4.根据权利要求1所述的升降桌的硬件过流保护控制系统，其特征在于：所述电机功率驱动单元(5)为H桥电机驱动电路。

5.根据权利要求1所述的升降桌的硬件过流保护控制系统，其特征在于：所述电流检测单元(6)包括运算放大器IC1，采样信号M1_SAMPING通过运算放大器IC1分两路M1_ADC、M1_OCP_SET,分别输出至单片机(8)和过流保护设置单元(7)。

6.根据权利要求5所述的升降桌的硬件过流保护控制系统，其特征在于：所述过流保护设置单元(7)包括运算放大器IC2；所述运算放大器IC2的正极输入端与过流保护信号M1_OCP_SET相连，负极输入端与由电阻R22和R21构成的分压电路相连。

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