CN216564498U - 一种用于开关磁阻电机的驱动绕组短路故障保护的电路 - Google Patents

Abstract

一种用于开关磁阻电机的驱动绕组短路故障保护的电路，其特征在于，该电路包括有功率管驱动电路；短路保护电路；主控电路；其中，所述短路保护电路在电机发生故障时分别向功率管驱动电路和主控电路同时输出故障信号，所述控制信号输出端连接功率管驱动电路的驱动信号输入端，所述第二故障信号输入端与所述短路保护电路的第二故障信号输出端相连，所述短路保护电路的第一故障信号输出端连接所述功率管驱动电路的第一故障信号输入端。本实用新型的优点在于：结构简单、易于实现，在电机电流发生异常(短路或者过流)的时候可同时输出两个故障信号，通过主控电路控制和二极管钳位作用的双重保护，以实现对电机功率开关管的保护。

Description

一种用于开关磁阻电机的驱动绕组短路故障保护的电路

技术领域

本实用新型涉及一种故障保护电路，特别是一种用于开关磁阻电机的驱动绕组短路故障保护的电路。

背景技术

开关磁阻电机是一种新型调速电机，它的结构简单坚固，调速范围宽，系统可靠性高，可应用于电动车驱动、通用工业、家用电器和纺织机械等各个领域。

开关磁阻电机的本质为一种交流电动机，需要特殊的驱动电路，一般采用独立H桥驱动电路，在某些有成本要求的场合，也会采用共用绕组的H桥电路，但是，无论哪种方式，都需要功率开关管MOSFET/IGBT进行换相，进而控制绕组的通断；开关磁阻电机的绕组结构一般为多相，各相绕组相互独立，绕组采用漆包线，会存在绕组短路的故障情况。

目前，现有技术对电机过流保护多采用带硬件保护的单片机进行实现，而短路保护是一种比过流保护更加严苛的过电流故障，上述的单片机无法对开关磁阻电机绕组短路产生的过流进行保护，一旦绕组短路后，对驱动电路的功率开关MOSFET/IGBT会造成永久损伤，使驱动电路无法工作，从而影响到开关磁阻电机的运行。

而且，已有的开关磁阻过流保护电路一般通过采样电阻或传感器进行绕组电流采集，再利用放大电路进行绕组电流的放大，放大信号通过比较器进行比较，然后输出比较信号给到主控单片机，最后单片机接收到故障信号，切断功率开关MOSFET/IGBT的驱动，但是此种方式由于保护时间的限制，仅仅能保护住一般过流信号，对于短路故障无法保护。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种可实现绕组过流和短路双重故障保护的电路。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种用于开关磁阻电机的驱动绕组短路故障保护的电路，其特征在于，该电路包括有

功率管驱动电路，用于直接驱动可控制开关磁阻电机绕组通断的功率开关管的工作，该功率管驱动电路包括有驱动信号输入端和第一故障信号输入端；

短路保护电路，用于开关磁阻电机绕组的电流采样和故障检测，该短路保护电路包括有第一故障信号输出端和第二故障信号输出端；

主控电路，用于接收来自所述短路保护电路的故障信号，并在电机发生故障时控制功率管驱动电路关闭功率开关管的工作，该主控电路包括有控制信号输出端和第二故障信号输入端；

其中，所述短路保护电路在电机发生故障时分别向功率管驱动电路和主控电路同时输出故障信号，所述控制信号输出端连接功率管驱动电路的驱动信号输入端，所述第二故障信号输入端与所述短路保护电路的第二故障信号输出端相连，所述短路保护电路的第一故障信号输出端连接所述功率管驱动电路的第一故障信号输入端。

作为优选，所述的功率管驱动电路包括有用于驱动功率开关管工作的型号为IR2106S的第一芯片和第二二极管，该功率管驱动电路包括有驱动信号输入端包括有第一驱动信号输入端和第二驱动信号输入端，所述的功率开关管包括有第一场效应管和第二场效应管；其中，所述第二二极管正极连接第一芯片的HIN管脚或者LIN管脚，第二二极管的负极作为第一故障信号输入端；第一芯片的VC管脚一路连接该第一芯片的供电电源正极，另一路经第一电容接地；该第一芯片的HIN管脚作为第一驱动信号输入端；该第一芯片的LIN管脚作为第二驱动信号输入端；该第一芯片的COM管脚接地；该第一芯片的VB管脚一路连接第一二极管的负极，该第一二极管的正极连接第一芯片的供电电源正极；第一芯片的VB管脚另一路经第二电容连接第一芯片的VS管脚；该第一芯片的VS管脚经串接的电机绕组后连接第二场效应管的漏极，第二场效应管的源极接地，第二场效应管的栅极连接第一芯片的LO管脚；第一芯片的HO管脚连接第一场效应管的栅极，第一场效应管的漏极连接开关磁阻电机的供电电压正极，第一场效应管的源极经电机绕组后连接第二场效应管的漏极。

作为进一步优选，所述的功率管驱动电路还包括有第二电阻、第五电阻、第十二电阻和第十三电阻，其中，第一芯片的HO管脚经第二电阻后分为两路，第一路连接第一场效应管的栅极，第二路经第五电阻连接第一芯片的VS管脚，第一芯片的LO管脚经第十二电阻后也分为两路，第一路连接第二场效应管的栅极，第二路经第十三电阻后接地。

作为优选，所述的短路保护电路包括有比较器、第一三极管和第二三极管，其中，所述比较器的正极输入端一路经第一电阻连接保护电路的供电电源正极，另一路经第三电阻接地；比较器的负极输入端一路经第九电阻与开关磁阻电机的供电电压信号相连，另一路经第十一电阻接地；比较器的输出端作为第一故障信号输出端分为三路，第一路连接第二二极管的负极，第二路经第四电阻连接保护电路的供电电源正极，第三路经第七电阻连接PNP型第一三极管的基极，第一三极管的发射极连接保护电路的供电电源正极，第一三极管的集电极经第八电阻后一路连接NPN型第二三极管的基极，另一路经第十电阻接地；第一三极管的发射极经第六电阻后第一路连接第二三极管的集电极，第二路经第四电容接地，第三路作为第二故障信号输出端连接主控电路的第二故障输入端。

作为进一步优选，所述的短路保护电路还包括有第三电容、第五电容、第六电容和第七电容，其中，所述比较器的输出端经第六电容接地，所述比较器的正极输入端经第三电容接地，所述比较器的电源正极输入端一路连接保护电路的供电电源正极，另一路经第五电容接地，所述比较器的负极输入端经第七电阻接地。

作为优选，所述的主控电路包括有型号为R5F1026的单片机，所述控制信号输出端包括有第一控制信号输出端和第二控制信号输出端；其中，单片机的FO管脚作为第二故障输入端与短路保护电路的第二故障信号输出端相连，单片机的PWM1管脚作为第一控制信号输出端连接第一芯片的HIN管脚，单片机的PWM2管脚作为第二控制信号输出端连接第一芯片的LIN管脚。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：电路结构简单、易于实现，在电机电流发生异常(短路或者过流)的时候可同时输出两个故障信号，通过主控电路控制和二极管钳位作用的双重保护，以实现对电机功率开关管的保护，不仅可以保护一般的过流故障，保证开关磁阻电机驱动电路的器件不造成损伤，同时也可以实现对绕组短路故障的保护，提高开关磁阻电机的运行可靠性和安全性，进而延长电器设备的使用寿命，降低维护成本。

附图说明

图1为本实用新型实施例的短路故障保护电路的具体电路结构图之一。

图2为本实用新型实施例的短路故障保护电路的具体电路结构图之二。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。

如图1所示，本实施例的保护电路为一种用于开关磁阻电机的驱动绕组短路故障的保护电路，该保护电路包括三大部分，分别为短路保护电路3、功率管驱动电路2和主控电路1。

其中，功率管驱动电路2用于直接驱动可控制开关磁阻电机绕组通断的功率开关管的工作，该功率管驱动电路2包括有驱动信号输入端和第一故障信号输入端；

短路保护电路3用于开关磁阻电机绕组的电流采样和故障检测，该短路保护电路3包括有第一故障信号输出端31和第二故障信号输出端32；

主控电路1用于接收来自短路保护电路3的故障信号，并在电机发生故障时控制功率管驱动电路2关闭功率开关管的工作，该主控电路1包括有控制信号输出端和第二故障信号输入端；

短路保护电路3在电机发生故障时分别向功率管驱动电路2和主控电路1同时输出故障信号，所述控制信号输出端连接功率管驱动电路2的驱动信号输入端，所述第二故障信号输入端与所述短路保护电路3的第二故障信号输出端32相连，所述短路保护电路3的第一故障信号输出端31连接所述功率管驱动电路2的第一故障信号输入端。

本实施例中的主控电路1采用型号为R5F1026的单片机MCU，控制信号输出端包括有第一控制信号输出端11和第二控制信号输出端12；其中，单片机MCU的FO管脚作为第二故障输入端与短路保护电路3的第二故障信号输出端32相连，单片机MCU的PWM1管脚作为第一控制信号输出端11，单片机MCU的PWM2管脚作为第二控制信号输出端12。

功率管驱动电路2包括有用于驱动功率开关管工作的型号为IR2106S的第一芯片U1和第二二极管D2，该功率管驱动电路2包括有驱动信号输入端包括有第一驱动信号输入端和第二驱动信号输入端，所述的功率开关管包括有第一场效应管Q1和第二场效应管Q2；其中，所述第一芯片U1的VC管脚一路连接该第一芯片U1的供电电源正极VDD，另一路经第一电容C1接地；该第一芯片U1的HIN管脚作为第一驱动信号输入端连接单片机MCU的PWM1管脚，该第一芯片U1的LIN管脚作为第二驱动信号输入端连接单片机MCU的PWM2管脚；第二二极管D2的正极可连接第一芯片U1的HIN管脚或者第一芯片U1的LIN管脚，第二二极管D2的负极作为第一故障信号输入端；

该第一芯片U1的COM管脚接地，第一芯片U1的VB管脚一路连接第一二极管D1的负极，该第一二极管D1的正极连接第一芯片U1的供电电源正极VDD；第一芯片U1的VB管脚另一路经第二电容C2连接第一芯片U1的VS管脚；该第一芯片U1的VS管脚经串接的电机绕组后连接第二场效应管Q2的漏极，第二场效应管Q2的源极接地，第二场效应管Q2的栅极连接第一芯片U1的LO管脚；第一芯片U1的HO管脚连接第一场效应管Q1的栅极，第一场效应管Q1的漏极连接开关磁阻电机的供电电压正极VDC，第一场效应管Q1的源极经电机绕组后连接第二场效应管Q2的漏极。

短路保护电路3包括有比较器U2、第一三极管Q3和第二三极管Q4，其中，所述比较器U2的正极输入端一路经第一电阻R1连接保护电路的供电电源正极VCC，另一路经第三电阻R3接地；比较器U2的负极输入端一路经第九电阻R9与开关磁阻电机的供电电压信号相连，另一路经第十一电阻R11接地；比较器U2的输出端作为第一故障信号输出端31分为三路，第一路连接第二二极管D2的负极，第二路经第四电阻R4连接保护电路的供电电源正极VCC，第三路经第七电阻R7连接PNP型第一三极管Q3的基极，第一三极管Q3的发射极连接保护电路的供电电源正极VCC，第一三极管Q3的集电极经第八电阻R8后一路连接NPN型第二三极管Q4的基极，另一路经第十电阻R10接地；第一三极管Q3的发射极经第六电阻R6后第一路连接第二三极管Q4的集电极，第二路经第四电容C4接地，第三路作为第二故障信号输出端32连接主控电路1的第二故障输入端。

如图2所示，为了进一步提高电路的信号处理的可靠性和检测的精度，减少干扰信号，作为进一步优选，功率管驱动电路2和短路保护电路3还可以进一步包括有如下元器件：功率管驱动电路2还包括有第二电阻R2、第五电阻R5、第十二电阻R12和第十三电阻R13，其中，第一芯片U1的HO管脚经第二电阻R2后分为两路，第一路连接第一场效应管Q1的栅极，第二路经第五电阻R5连接第一芯片U1的VS管脚，第一芯片U1的LO管脚经第十二电阻R12后也分为两路，第一路连接第二场效应管Q2的栅极，第二路经第十三电阻R13后接地。

短路保护电路3还包括有第三电容C3、第五电容C5、第六电容C6和第七电容C7，其中，所述比较器U2的输出端经第六电容C6接地，所述比较器U2的正极输入端经第三电容C3接地，所述比较器U2的电源正极输入端一路连接保护电路的供电电源正极VCC，另一路经第五电容C5接地，所述比较器U2的负极输入端经第七电阻R7接地。

其中，图1、图2中的电源包括有为整个用于驱动绕组短路故障的保护电路供电的电源电压VCC、为功率管驱动电路2的第一芯片U1供电的电源电压VDD以及为开关磁阻供电的电源电压VDC，本实施例中，三种电压的大小分别：VCC电压是5V，VDD电压是15V，VDC电压是310V。

本实施例的各部分电路模块的工作原理如下：

1、主控电路

当FO管脚接收到低电平信号，单片机MCU内部进入中断保护程序，关闭PWM1管脚和PWM2管脚的输出，其中，PWM1管脚和PWM2管脚的输出信号是用于驱动功率管Q1和Q2的驱动信号，只有在PWM1管脚和PWM2管脚未处于关闭情况下时，驱动功率管Q1和Q2才会根据逻辑进行动作，进而保证开关磁阻电机的可靠运行，因此，当发生短路故障时，PWM1管脚和PWM2管脚的输出信号处于关闭状态，此时第一场效应管Q1和第二场效应管Q2两个功率管也会处于关闭状态，电机绕组L不会存在电流，进而保证功率管Q1和Q2不会因短路产生电流过大而发生损坏。

2、短路保护电路

电路中Uc为开关磁阻电机绕组L的电流采样放大后的电压信号，Uc值可实时反应电机绕组L的电流大小，通过第九电阻R9和第十一电阻R11，可以得到图1中B点电压为R11/(R9+R11)；图1中A点电压则为R3/(R1+R3)，设置第一电阻R1和第三电阻R3的意义在于通过调节电阻阻值来实现需要保护电流的大小，即可以通过调节第一电阻R1和第三电阻R3的阻值大小，调节需要保护的电流值。

A点和B点两个输入信号给到比较器U2，在比较器U2的输出端C点就可以得到一个高低电平信号，根据A点和B点两个信号值的大小，在电机未发生短路故障时，A点电位＞B点电位，此时C点输出高电平信号，其值为VCC，此时各个电路正常工作，互不影响；

当发生短路故障时，A点电位＜B点电位，此时C点输出低电平信号，其值为0V，此时，第一三极管Q3和第二三极管Q4导通，第四电容C4的电荷通过第二三极管Q4泄放，于是，FO信号为低电平，其值为0V，送给主控电路中的单片机MCU进行处理；同时，比较器U2将输出端的C点为0V的信号送给功率管驱动电路进行处理。

3、功率管驱动电路

单片机的PWM1管脚输出的第一控制信号P1用于驱动第一场效应管Q1(即上功率管)，单片机的PWM2管脚输出的第二控制信号P2用于驱动第二场效应管Q2(即下功率管)，功率管驱动电路可接收主控电路的P1和P2输出信号，又可接收短路保护电路的C点信号；

当C点电位为0V时，即发生短路故障时，由于第二二极管D2的存在，具有钳位作用，可使P1信号为低电平，即主控电路的PWM1管脚输出任何电平信号，都不会起作用，P1始终保证为低电平，这样就可保证第一场效应管Q1处于关闭状态，电机绕组L不会存在电流，保证第一场效应管Q1和第二场效应管Q2不会因短路电流过大而造成损坏。

本实施例的保护电路不仅可以保护绕组短路的故障，还可以保护绕组一般过流故障，C点信号通过第二二极管D2就可以快速关闭第一场效应管Q1，保证电机绕组L不会存在电流，保护第一场效应管Q1和第二场效应管Q2不会因短路电流过大而造成损坏；因为短路保护是一种比一般过流保护更加严苛的过电流故障，既然本实施例的保护电路对于短路故障都可以保护，那一般过流故障更不存在问题。

在实际应用中，当发生短路故障时，短路保护电路的C点信号为低电平0V，通过第二二极管D2关闭第一场效应管Q1，同时FO信号给到主控电流的单片机MCU，单片机MCU通过程序关闭PWM1管脚和PWM2管脚，电机绕组电流迅速下降，此时，A点电位＞B点电位，电路恢复正常，但此时的绕组电路故障仍然存在，电路会在段时间内再次进入保护状态，即A点电位＜B点电位，又重复上述故障逻辑，频繁多次的反复会造成第一场效应管Q1和第二场效应管Q2发热严重，易导致元器件的过热损坏；

为了解决这个问题，本实施例可以通过调节第四电阻R4的阻值和第六电容C6的容值，使得第六电容C6的充电时间τ＝R4×C6大于第一场效应管Q1和第二场效应管Q2的发热散热时间；因为充电时间延长，间接保证了C点电位处于低电平时间的延长，这样就保证电机绕组L不会存在电流，保证第一场效应管Q1和第二场效应管Q2不会因短路电流过大造成损坏；

另外，通过调节第六电阻R6的阻值和第四电容C4的容值，也可保证第四电容C4的充电时间τ＝R6×C4的延长，从而保证FO信号更长时间处于低电平，增加了单片机的检测时间，从而保证单片机的可靠检测。

本实施例的保护电路当短路故障存在时，一直工作于保护状态，保证第一场效应管Q1和第二场效应管Q2不会因此短路电流过大造成损坏，直至故障消失，开关磁阻电机正常工作。

Claims (6)

1.一种用于开关磁阻电机的驱动绕组短路故障保护的电路，其特征在于，该电路包括有

功率管驱动电路(2)，用于直接驱动可控制开关磁阻电机绕组通断的功率开关管的工作，该功率管驱动电路(2)包括有驱动信号输入端和第一故障信号输入端；

短路保护电路(3)，用于开关磁阻电机绕组的电流采样和故障检测，该短路保护电路(3)包括有第一故障信号输出端(31)和第二故障信号输出端(32)；

主控电路(1)，用于接收来自所述短路保护电路(3)的故障信号，并在电机发生故障时控制功率管驱动电路(2)关闭功率开关管的工作，该主控电路(1)包括有控制信号输出端和第二故障信号输入端；

其中，所述短路保护电路(3)在电机发生故障时分别向功率管驱动电路(2)和主控电路(1)同时输出故障信号，所述控制信号输出端连接功率管驱动电路(2)的驱动信号输入端，所述第二故障信号输入端与所述短路保护电路(3)的第二故障信号输出端(32)相连，所述短路保护电路(3)的第一故障信号输出端(31)连接所述功率管驱动电路(2)的第一故障信号输入端。

2.根据权利要求1所述的用于开关磁阻电机的驱动绕组短路故障保护的电路，其特征在于：所述的功率管驱动电路(2)包括有用于驱动功率开关管工作的型号为(IR2106S)的第一芯片(U1)和第二二极管(D2)，该功率管驱动电路(2)包括有驱动信号输入端包括有第一驱动信号输入端和第二驱动信号输入端，所述的功率开关管包括有第一场效应管(Q1)和第二场效应管(Q2)；

其中，所述第二二极管(D2)正极连接第一芯片(U1)的HIN管脚或者LIN管脚，第二二极管(D2)的负极作为第一故障信号输入端；第一芯片(U1)的VC管脚一路连接该第一芯片(U1)的供电电源正极，另一路经第一电容(C1)接地；该第一芯片(U1)的HIN管脚作为第一驱动信号输入端；该第一芯片(U1)的LIN管脚作为第二驱动信号输入端；该第一芯片(U1)的COM管脚接地；该第一芯片(U1)的VB管脚一路连接第一二极管(D1)的负极，该第一二极管(D1)的正极连接第一芯片(U1)的供电电源正极；第一芯片(U1)的VB管脚另一路经第二电容(C2)连接第一芯片(U1)的VS管脚；该第一芯片(U1)的VS管脚经串接的电机绕组后连接第二场效应管(Q2)的漏极，第二场效应管(Q2)的源极接地，第二场效应管(Q2)的栅极连接第一芯片(U1)的LO管脚；第一芯片(U1)的HO管脚连接第一场效应管(Q1)的栅极，第一场效应管(Q1)的漏极连接开关磁阻电机的供电电压正极，第一场效应管(Q1)的源极经电机绕组后连接第二场效应管(Q2)的漏极。

3.根据权利要求2所述的用于开关磁阻电机的驱动绕组短路故障保护的电路，其特征在于：所述的功率管驱动电路(2)还包括有第二电阻(R2)、第五电阻(R5)、第十二电阻(R12)和第十三电阻(R13)，其中，第一芯片(U1)的HO管脚经第二电阻(R2)后分为两路，第一路连接第一场效应管(Q1)的栅极，第二路经第五电阻(R5)连接第一芯片(U1)的VS管脚，第一芯片(U1)的LO管脚经第十二电阻(R12)后也分为两路，第一路连接第二场效应管(Q2)的栅极，第二路经第十三电阻(R13)后接地。

4.根据权利要求2所述的用于开关磁阻电机的驱动绕组短路故障保护的电路，其特征在于：所述的短路保护电路(3)包括有比较器(U2)、第一三极管(Q3)和第二三极管(Q4)，其中，所述比较器(U2)的正极输入端一路经第一电阻(R1)连接保护电路的供电电源正极(VCC)，另一路经第三电阻(R3)接地；比较器(U2)的负极输入端一路经第九电阻(R9)与开关磁阻电机的供电电压信号相连，另一路经第十一电阻(R11)接地；比较器(U2)的输出端作为第一故障信号输出端(31)分为三路，第一路连接第二二极管(D2)的负极，第二路经第四电阻(R4)连接保护电路的供电电源正极(VCC)，第三路经第七电阻(R7)连接PNP型第一三极管(Q3)的基极，第一三极管(Q3)的发射极连接保护电路的供电电源正极(VCC)，第一三极管(Q3)的集电极经第八电阻(R8)后一路连接NPN型第二三极管(Q4)的基极，另一路经第十电阻(R10)接地；第一三极管(Q3)的发射极经第六电阻(R6)后第一路连接第二三极管(Q4)的集电极，第二路经第四电容(C4)接地，第三路作为第二故障信号输出端(32)连接主控电路(1)的第二故障输入端。

5.根据权利要求4所述的用于开关磁阻电机的驱动绕组短路故障保护的电路，其特征在于：所述的短路保护电路(3)还包括有第三电容(C3)、第五电容(C5)、第六电容(C6)和第七电容(C7)，其中，所述比较器(U2)的输出端经第六电容(C6)接地，所述比较器(U2)的正极输入端经第三电容(C3)接地，所述比较器(U2)的电源正极输入端一路连接保护电路的供电电源正极(VCC)，另一路经第五电容(C5)接地，所述比较器(U2)的负极输入端经第七电阻(R7)接地。

6.根据权利要求4所述的用于开关磁阻电机的驱动绕组短路故障保护的电路，其特征在于：所述的主控电路(1)包括有型号为R5F1026的单片机(MCU)，所述控制信号输出端包括有第一控制信号输出端(11)和第二控制信号输出端(12)；其中，单片机MCU的FO管脚作为第二故障输入端与短路保护电路(3)的第二故障信号输出端(32)相连，单片机(MCU)的PWM1管脚作为第一控制信号输出端(11)连接第一芯片(U1)的HIN管脚，单片机(MCU)的PWM2管脚作为第二控制信号输出端(12)连接第一芯片(U1)的LIN管脚。

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