CN221283070U - 一种反电动势检测模块、电机驱动架构及保护模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种反电动势检测模块、电机驱动架构及保护模块，该检测模块包括：运算放大器，同相输入端经电阻R1与被驱电机电连接，用于获取被驱电机的反电动势，且经电阻R2与模块低电源电连接，还经电阻R3接地GND；反相输入端经电阻R4接地GND，并与输出端短接，输出端接有电阻R5；第一逻辑电路，电机驱动模块产生的上桥控制信号和下桥控制信号输入，于所述上桥控制信号和下桥控制信号输入为无效时产生使能信号提供给所述运算放大器。该检测模块通过对被驱电机的反电动势直接进行感应，运算放大器输出的信号即为反电动势，不基于先检测电流大小，再根据电流和反电动势的换算关系求解反电动势，提高反电动势检测的精准性，且无需基于复杂的算法。

Description

一种反电动势检测模块、电机驱动架构及保护模块

技术领域

本实用新型涉及一种反电动势检测模块、电机驱动架构及保护模块。

背景技术

电机是指依据电磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置，或者将一种形式的电能转换成另一种形式的电能。目前，电机驱动采用功率芯片搭建全桥或半桥电路来实现，通过控制器产生脉冲信号接入全桥或半桥电路中的功率芯片，以控制功率芯片的导通、截止，以实现电机运转的控制。

在电机驱动过程中，会对全桥或半桥电路的输出进行采样，根据采样电流以判断全桥/半桥驱动电路是否为正常工作状态，再通过电流和反电动势的换算关系求解反电动势，以获取无刷电机的运行状态。

通过现有的采样电流电路以及电流和反电动势的换算关系能够求解得到反电动势，但电机在低速状态下电流小，电流变化频率跟随转速成正比关系，这种情况下，采用前述方法获得的反电动势误差大（因驱动功率器件开关会有高频电磁干扰，干扰电流采样模块结果；通过计算的方式获取反电动势需要知道线电流、电机阻抗、磁场强度等参数，多是利用事先测好的恒定值，但实际中由于温度变化、器件老化、批量化生产部件的误差，并不能获取准确的参数，因此计算出来的反电动势存在误差），且无法直接获取反电动势，准确性低。

实用新型内容

为解决现有技术中所存在的问题，本实用新型在此提供了一种反电动势检测模块，该模块能够直接检测得到反电动势，不基于电流检测再计算而得到反电动势。

该检测模块包括：

运算放大器，同相输入端经电阻R1与被驱电机电连接，用于获取被驱电机的反电动势，且经电阻R2与模块低电源电连接，还经电阻R3接地GND；反相输入端经电阻R4接地GND，并与输出端短接，输出端接有电阻R5；

第一逻辑电路，电机驱动模块产生的上桥控制信号和下桥控制信号输入，于所述上桥控制信号和下桥控制信号输入为无效时产生使能信号提供给所述运算放大器。

该检测模块在驱动关断的死区时间里（即没有驱动信号接入的时间段），通过第一逻辑电路感应驱动关闭，产生使能信号提供给运算放大器，运算放大器运作；在死区时间里被驱电机的电感划过永磁体在电感两端产生的感应电动势（即反电动势）经电阻R1输入运算放大器的同相输入端（电阻R1与被驱电机的电源端连接，当被驱电机产生感应电动势时，电阻R1上形成对应的电信号，输入与其构成回路的运算放大器），经运算放大器处理后输出即为被去电机的反电动势。

在一些实施方式中，所述电阻R5作为输出端的一端还经电容C1接地，并接电阻R6和电阻R7相连接的一端，所述电阻R6和所述电阻R7的另一端分别接低电源和地。

在一些实施方式中，所述第一逻辑电路包括非门和与门，电机驱动模块的上桥控制信号和下桥控制信号先经非门后输入与门；或者电机驱动模块的上桥控制信号和下桥控制信号先经与门后输入非门。

在一些实施方式中，所述第一逻辑电路包括非门和或门，电机驱动模块的上桥控制信号和下桥控制信号先经或门后输入非门。

本实用新型还提供了一种电机驱动架构，该机构包括：

电机驱动模块，用于驱动电机运转；

反电动势检测模块，用于获取电机反电动势，为本实用新型所述的反电动势检测模块。

在一些实施方式中，还包括保护模块，有：

第二逻辑电路，用于电机驱动模块的上桥控制信号和下桥控制信号输入，并根据上桥控制信号和下桥控制信号有效时存在输出；

第三逻辑电路，在第二逻辑电路存在真值输出时，存在输出。

在一些实施方式中，所述保护模块还有第四逻辑电路，用于在所述第三逻辑电路输出存在真值输出、母线电压为真值或电源电压为真值时存在输出。

在一些实施方式中，还包括电流采样模块，有：

采样电阻Rs，用于对电机驱动模块的输出进行采样；

运算放大器，采样电阻Rs的两端分别经电阻R8、R9接入运算放大器的同相输入端和反相输入端，同相输入端还经电阻R10接地GND，反相输入端还通过电阻R11与输出端连接；输出端还经电阻R12接电容C2的第一极板以及电阻R13和电阻R14连接的一端，电容C2的第二极板接地GND，电阻R13和电阻R14的另一端分别接低电源和地GND。

本实用新型第三个目的还提供了一种保护模块，该模块包括：

第二逻辑电路，用于电机驱动模块的上桥控制信号和下桥控制信号输入，并根据上桥控制信号和下桥控制信号有效时存在输出；

第三逻辑电路，在第二逻辑电路存在真值输出时，存在输出。

在一些实施方式中，该模块还有第四逻辑电路，用于在所述第三逻辑电路输出存在真值输出、母线电压为真值或电源电压为真值时存在输出

本使用新型的有益效果至少包括：

该模块通过对被驱电机的反电动势直接进行感应，运算放大器输出的信号即为反电动势，不基于先检测电流大小，再根据电流和反电动势的换算关系求解反电动势，提高反电动势检测的精准性，且无需基于复杂的算法。

本实用新型采用逻辑电路搭建供能电路，电路结构简单，且响应速率快，提高了效率。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图进行拓展应用，而不背离本发明的原理和实质。在附图中：

图1为本实用新型提供的反电动势检测模块的部分电路原理图；

图2为本实用新型描述的电机驱动模块的电路原理图；

图3为本实用新型描述的电流采样模块的部分电路原理图；

图4为本实用新型描述的保护模块的电路原理图；

图中：IU表示U相电流，UU表示U相电压，未于图中表示的V相和W相，分别用IV/UV、IW/UW表示V相和W相电流/电压。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例性实施例。然而，示例性实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本公开将全面和完整，并将示例性实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中，为了清晰，可能会夸大部分元件的尺寸或加以变形。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

请参照图1，本反电动势检测模块被配置 有运算放大器和第一逻辑电路，运算放大器用于对信号进行放大处理后输出，第一逻辑电路用于提供运算放大器的使能信号。

电机驱动模块产生的上桥控制信号和下桥控制信号输入，于上桥控制信号和下桥控制信号输入为无效（被驱电机未被驱动时的控制信号为无效）时产生使能信号提供给运算放大器。因在驱动关断的死区时间里，被驱电机的电感划过永磁体，会在电感两端产生一个感应电动势即反电动势，故运算放大器被配置为在控制信号无效时被使能，继而检测得到反电动势。

请参照图1，该第一逻辑电路被配置包括非门和与门，上桥控制信号和下桥控制信号先经非门后输入与门，此结构下，输入的控制信号全为假（表示无上桥控制信号和下桥控制信号，即无效）时，非门将控制信号反相为真输入与门，在输入均为真时，与门输出为真（即1）作为使能信号接入运算放大器启动运算放大器。

或者，第一逻辑电路还可以是被配置包括非门和或门，上桥控制信号和下桥控制信号先经或门后输入非门，此结构下，输入的控制信号全为假（表示无上桥控制信号和下桥控制信号，即无效）时，或门输出为假，经非门反相为真作为使能信号接入运算放大器启动运算放大器。

本公开以“真”“假”进行描述是基于逻辑电路的原理，真表示有效，假表示无效。

运算放大器的同相输入端经电阻R1与被驱电机电连接，用于获取被驱电机的反电动势，且经电阻R2与模块+3.3V低电源电连接，还经电阻R3接地GND；反相输入端经电阻R4接地GND，并与输出端短接，输出端接有电阻R5，电阻R5的不与运算放大器输出端电连接的一端作为反电动势检测模块的输出端，用于输出所检测到的反电动势。电阻R5作为输出端的一端还经电容C1接地，并接电阻R6和电阻R7相连接的一端，电阻R6和电阻R7的另一端分别接+3.3V低电源和地；电阻、电容构成运算放大器的外围电路，用于保证运算放大器的性能，进而保证了检测的准确性。

需说明的是，图1仅为被驱电机的U相标识（HU_IN、LU_IN、UU_IN)，本检测模块配置三路如图1所示电路结构，第一逻辑电路的输入分别为控制三相输出的V相和W相的上桥控制信号和下桥控制信号，对应标识分别为：HV_IN、LV_IN、UV_IN，HW_IN、LW_IN、UW_IN，H开头表示上桥，L开头表示下桥，U开头表示电机驱动模块的输出（该输出与被驱电机三相电连接）。

电机驱动模块的三相控制信号（每相分别包括上桥控制信号和下桥控制信号）分别接入第一逻辑电路，电机驱动模块的三相输出分别与电阻R1电连接；当三相控制信号无效时，被驱电机不被驱动，此时三路如图1所示电路结构中的运算放大器被启动；在驱动关断的死区时间里，被驱电机的电感划过永磁体，会在电感两端产生一个感应电动势即反电动势，经电阻R1输入运算放大器后输出获取的被驱电机的反电动势。

本检测模块实现了被驱电机的反电动势直接检测，检测结果可以直接被接入处理电路被应用。该检测模块可以被集成于电机驱动机构，实现电机驱动及电机反电动势检测功能，电机驱动由电机驱动模块实现，其电路结构如图2所示，包括用于产生脉冲信号的芯片U1和用于构成三相全桥电路的功率半导体Q1-Q6，芯片U1产生的脉冲信号用于控制功率半导体Q1-Q6的导通、截止，三相全桥电路的三相输出分别接被驱电机。

此外，本驱动机构还包括电流采样模块，该采样电路的电路结构如图3所示，有：采样电阻Rs，用于对电机驱动模块的输出进行采样（电机驱动模块的输出与被驱电机连接，对电机驱动模块的输出进行采样即对被驱电机供电电源进行采样）；运算放大器，采样电阻Rs的两端分别经电阻R8、R9接入运算放大器的同相输入端和反相输入端，同相输入端还经电阻R10接地GND，反相输入端还通过电阻R11与输出端连接；输出端还经电阻R12接电容C2的第一极板以及电阻R13和电阻R14连接的一端，电容C2的第二极板接地GND，电阻R13和电阻R14的另一端分别接低电源和地GND；运算放大器的使能信号由芯片U1提供。

电机驱动模块的输出经采样电阻Rs的两端有一个随电流增大而增大的电压U=I*Rs，经过运放调节，在电阻R8电阻两端创造了一个电压差，从而有电流经过电阻R11流向输出端。根据U=I*R的原理，输出端电压会随之改变，从而有了一个与电流大小线性相关的电压参数。本电流采样模块添加了钳位电阻（电阻R11），释放过大、过小的运放电流且不影响输出电压，同时通过电容C2滤除采样信号噪声，保证了采样结果的准确性。本电机驱动机构中的电流采样模块实现了电流采样，采样结果可以直接被接入处理电路被应用。

图3同样仅示出了三相中的U相，电流采样模块配置三路如图2所示电路结构，分别对V相和W相电流进行采集。

再，本驱动机构还包括保护模块，用于形成保护信号，但不执行保护动作，具体的保护动作由其它电路根据该保护模块形成的保护信号完成，如配置处理电路，根据保护信号生成控制信号控制芯片U1停止工作，或控制接入功率半导体Q1-Q6的电源切断。

该保护模块的电路结构如图4所示，有：第二逻辑电路，分别接芯片U1与功率半导体Q1-Q6的控制端电连接的输出端，用于获取电机驱动模块的上桥控制信号和下桥控制信号，并根据上桥控制信号和下桥控制信号有效时存在输出；第三逻辑电路，在第二逻辑电路存在真值输出时，存在输出。

结合图4，第二逻辑电路被配置包括三个与门，每个与门分别用于控制三相全桥电路的每一相的上桥功率半导体和下桥功率半导体的上桥控制信号和下桥控制信号接入（图中HU_IN、LU_IN表示U相的上桥控制信号和下桥控制信号，HV_IN、LV_IN、HW_IN、LW_IN分别对应V相和W相）。通过三个与门判断功率半导体Q1-Q6中是否存在一相驱动的上下桥同时导通，若存在，则输出为真输入第三逻辑电路，第三逻辑电路存在输出，则表示存在故障。第三逻辑电路被配置为一个或门，或者多选一选择器（在输入存在一个真时，输出真值1），在第二逻辑电路任何一个与门存在真值输出时，均存在输出。

另，本驱动机构的保护模块还有第四逻辑电路，该逻辑电路用于在第三逻辑电路输出存在真值输出、母线电压（VBUS_ERR）为真值或电源电压（VCC_ERR，指驱动机构的供电电压，以保证驱动机构能够正常运行，该电源电压根据需要被稳压芯片稳压至所需电压值，以提供给芯片U1、功率半导体、运算放大器等耗能器件）为真值时存在输出；或者在第三逻辑电路输出存在真值输出、或母线电压为真值时存在输出。母线电压为为被驱电机供电的供电线，一般根据电压平台有12V、24V、48V、220V、400V等，由于其功率大，正常使用中电压波动可能超过20%。

本文所描述的第三逻辑电路输出存在真值、母线电压为真值、电源电压为真值表示上下桥驱动/母线电压/电源电压出现故障，以“1”表示；非故障为假值，以“0”表示。只要有一个故障存在，ALARM端即会输出高电平，后端的电路收到ALARM高电平即开启保护工作。

本文在此将第四逻辑电路被配置为一个或门，或者多选一选择器（在输入存在一个真时，输出真值1）。

本电机驱动机构集电流采样、保护检测及反电动势检测于一体，使用时无需再搭建相关功能电路，且无需依赖复杂的算法即可实现反电动势检测。

本公开已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本公开的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本公开的范围。相反，在不脱离本公开的精神和范围内所作的变动与润饰，均属本公开的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种反电动势检测模块，其特征在于，包括：

运算放大器，同相输入端经电阻R1与被驱电机电连接，用于获取被驱电机的反电动势，且经电阻R2与模块低电源电连接，还经电阻R3接地GND；反相输入端经电阻R4接地GND，并与输出端短接，输出端接有电阻R5；

第一逻辑电路，电机驱动模块产生的上桥控制信号和下桥控制信号输入，于所述上桥控制信号和下桥控制信号输入为无效时产生使能信号提供给所述运算放大器。

2.根据权利要求1所述的反电动势检测模块，其特征在于，包括：所述电阻R5作为输出端的一端还经电容C1接地，并接电阻R6和电阻R7相连接的一端，所述电阻R6和所述电阻R7的另一端分别接低电源和地。

3.根据权利要求1所述的反电动势检测模块，其特征在于，所述第一逻辑电路包括非门和与门，电机驱动模块的上桥控制信号和下桥控制信号先经非门后输入与门。

4.根据权利要求1所述的反电动势检测模块，其特征在于，所述第一逻辑电路包括非门和或门，电机驱动模块的上桥控制信号和下桥控制信号先经或门后输入非门。

5.一种电机驱动架构，其特征在于，该机构包括：

电机驱动模块，用于驱动电机运转；

反电动势检测模块，用于获取电机反电动势，为权利要求1-4任意一项所述的反电动势检测模块。

6.根据权利要求5所述的电机驱动架构，其特征在于，还包括保护模块，有：

第二逻辑电路，用于电机驱动模块的上桥控制信号和下桥控制信号输入，并根据上桥控制信号和下桥控制信号有效时存在输出；

第三逻辑电路，在第二逻辑电路存在真值输出时，存在输出。

7.根据权利要求5所述的电机驱动架构，其特征在于，所述保护模块还有第四逻辑电路，用于在所述第三逻辑电路输出存在真值输出、母线电压为真值或电源电压为真值时存在输出。

8.根据权利要求5所述的电机驱动架构，其特征在于，还包括电流采样模块，有：

采样电阻Rs，用于对电机驱动模块的输出进行采样；

运算放大器，采样电阻Rs的两端分别经电阻R8、R9接入运算放大器的同相输入端和反相输入端，同相输入端还经电阻R10接地GND，反相输入端还通过电阻R11与输出端连接；输出端还经电阻R12接电容C2的第一极板以及电阻R13和电阻R14连接的一端，电容C2的第二极板接地GND，电阻R13和电阻R14的另一端分别接低电源和地GND。

9.一种保护模块，其特征在于，该模块包括：

第二逻辑电路，用于电机驱动模块的上桥控制信号和下桥控制信号输入，并根据上桥控制信号和下桥控制信号有效时存在输出；

第三逻辑电路，在第二逻辑电路存在真值输出时，存在输出。

10.根据权利要求9所述的保护模块，其特征在于，该模块还有第四逻辑电路，用于在所述第三逻辑电路输出存在真值输出、母线电压为真值或电源电压为真值时存在输出。