CN103956946B - 一种带过流保护的低压大功率直流电机控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带过流保护的低压大功率直流电机控制电路，包括外部大功率直流电源、过流保护电路以、控制信号放大电路和功率放大电路；本发明效率高，驱动功率大，可靠性高，使用寿命长，成本低。提高了产品的反应速率和驱动率，多级保护措施有效的保护电路正常工作，具有很好的应用前景。

Description

一种带过流保护的低压大功率直流电机控制电路

技术领域

本发明涉及低压大功率直流电机控制领域，更具体地，涉及一种带有过流保护的低电压大功率的直流电机的控制电路。

背景技术

目前电动机作为主要的机电能量转换装置，应用范围已经遍及工农业生产、交通运输、国防科研、医疗卫生和各种日常生活的家电和消费电子产品中。随着储蓄电池的出现，各种低压的直流电机的使用也更加广泛。为了对这些低压的直流电动机进行启动，制动，正反转控制、电压、电流、功率等物理量进行控制，需要对电机配置合适的驱动电路。随着应用产品的不同，直流电机的驱动功率要求不一样，各种直流电机的驱动方式也各种各样。常见的驱动电路有以下两种：

1）如图1所示，继电器的线圈的一端接外部直流电源，另一端接在三极管的C极，三极管E极接电源地。驱动信号经过电阻分压之后加载到三极管的B极控制三极管C、E极之间导通或关断，从而控制继电器吸合和断开。继电器的开关端接直流电机则可以控制直流电机的运转。当驱动信号输入高电平时，三极管导通，继电器吸合，电机运转；当驱动信号输入低电平时，三极管截止，继电器断开，电机停转。当三极管由导通变为截止时，继电器绕组感生出一个较大的自感电压，所以在继电器的线圈两端反向并联抑制二极管，以吸收该电动势。这种电路的优点是电路简单，驱动电机功率可以根据使用不同的继电器而定。但是这种电路受继电器影响较大，对于驱动力要求较大的继电器，采用三极管驱动电路可能会出现驱动力不足的情况，而且可能会大大降低电路的使用寿命。

2）为了解决上述问题，人们想出了另一种功率驱动力更强的驱动电路。如图2所示，用MOS管代替三极管，同样能实现控制继电器吸合和断开的功能。利用MOS管的过大电流的特性，提升控制端承受电流范围。在大电流的场合，MOS管的D极和S极之间能够承受较大的电流流过，大大提升了继电器控制端的驱动力。改善后的电路不但增加了电路的驱动力，而且减小了对开关器件的损害，极大的提升了电路的使用寿命。在调速***中，继电器会频繁的吸合断开，这样对于电路的使用寿命还是有很大的影响，而且在超大电流的控制电路中继电器的***较高，使得整个电路的成本也相对较高，在实际的生产中是不划算的。

发明内容

本发明是为了解决上述现有技术的不足之处，提供一种效率高，驱动功率大，可靠性高，使用寿命长，成本低的带过流保护的低压大功率直流电机控制电路。

本发明的目的可以通过以下技术方案达到：

一种带过流保护的低压大功率直流电机控制电路，包括外部直流电源，还包括过流保护电路以及与其连接控制信号放大电路和功率放大电路；

所述过流保护电路包括控制芯片IC1，电阻R5-R10、电阻R16-R18、电阻R26、电阻R28、三极管Q12和电容C1、电容C2；

所述控制信号放大电路包括三极管Q10、Q11和电阻R15、R21；

所述功率放大电路包括续流二极管D3、D4、D5、D8、D10、MOS管Q1-Q3和电机控制接口P2；

所述控制芯片IC1的第一脚OutPutA接电阻R5的一端，还通过电阻R6接数字地；控制芯片IC1的第2脚InPutA-接电阻R10的一端，还通过电阻R26接三极管Q12的集电极，三极管Q12的发射极接数字地；控制芯片IC1的第3脚InPutA+接电阻R9的一端，还接控制芯片IC1的第7脚OutPutB；控制芯片IC1的第4脚GND接数字地；控制芯片IC1的第5脚InPutB+通过电阻R7接电阻R28的一端，还接电容C1的一端、电容C2的一端以及电阻R18的一端；控制芯片IC1的第6脚InPutB-通过电阻R16接控制芯片IC1的第7脚OutPutB；控制芯片IC1的第8脚VCC接电阻R28的另一端、电阻R5的另一端、电阻R9的另一端以及电阻R10的另一端；控制芯片IC1的第8脚VCC还接外部直流电源；

电容C1、C2的另一端以及控制芯片IC1的第6脚InPutB-接数字地，电容C1的另一端还通过电阻R17接数字地；电阻R18的另一端接外部直流电源地，同时接数字地；三极管Q12的基极通过电阻R8接控制芯片IC1的第2脚InPutA-；

控制芯片IC1的第一脚OutPutA通过电阻R15接三极管Q10的基极以及三极管Q11的基极；三极管Q10的集电极接外部直流电源，三极管Q10的发射极接三极管Q11的发射极，三极管Q11的集电极接数字地，三极管Q10的发射极还通过R21接数字地；

续流二极管D8的第1脚接外部直流电源和续流二极管D8的第2脚，续流二极管D8的第3脚接续流二极管D3的K端、MOS管Q1的D极、MOS管Q2的D极、MOS管Q3的D极和电机控制接口P2，续流二极管D3的A端接数字地；MOS管Q1的S极接数字地, MOS管Q1的G极接续流二极管D4的A端和电阻R1的一端；MOS管Q2的S极接数字地, MOS管Q2的G极接续流二极管D5的A端和电阻R2的一端；MOS管Q3的S极接数字地，MOS管Q3的G极接续流二极管D10的A端和使能电阻R3的一端；续流二极管D4的K端接续流二极管D10的K端、续流二极管D5的K端、电阻R1的另一端、电阻R2的另一端以及电阻R3的另一端；电阻R2的另一端接三极管Q10的发射极。

上述外部直流电源为外部大功率直流电源；本发明采用控制芯片IC1作为自动过流保护的控制端，实时监测电流，通过检测电流的大小控制PWM控制信号的产生，从而控制MOS开关管Q10的开通和关断，使电机运转或停转，形成保护功能。若电路电流过流之后，电机停转，整个电路输出电压降低，会导致输出电流降低，当电流恢复正常范围时，电路又恢复正常工作状态，所以该电路还具有自恢复功能。由于该电路的这种特性，大大增加了电路的可靠性和实用性，产品寿命也得到了很大的提升；

该电路MOS管可以作为功率放大器件并联使用，大大的提高了对外部直流电机的驱动功率；续流二极管D8为快恢复二极管，在电机停转的瞬间迅速吸收电机的反向电动势以保护MOS管驱动电路。MOS管的快速开关特性，能很好的满足直流电机的频繁启动和调速的要求，也提高了电路的使用寿命。同时，相对于超大电流的继电器驱动电机的方案来说，MOS管的成本要低的多，这更能适应实际的生产应用需求。

所述电阻R28、R7、R5、R9、R10为上拉电阻，电阻R18、R16、R6、R21为分压电阻，电阻R17为限流电阻，电阻R15、R1、R2、R3、R8、R26为使能电阻，电容C1、C2为滤波电容。

与现有技术相比，本发明具有如下突出的有益效果：整个电路效率高，驱动功率大，可靠性好，使用寿命长，成本低。提高了产品的反应速率和驱动率，多级保护措施有效的保护电路正常工作，具有很好的应用前景。

附图说明

图1为现有技术中直流电机的三极管控制继电器驱动电路原理图。

图2为现有技术中直流电机的MOS管控制继电器驱动电路原理图。

图3为本发明具体实施例的电路原理图。

其中，1-过流保护电路，2-控制信号放大电路，3-功率放大电路，IC1-控制芯片，R28、R7、R5、R9、R10-上拉电阻，R18 R6、R16、R21-分压电阻， R17-限流电阻，Q1、Q2、Q3-MOS管，Q10、Q11、Q12-三极管，D3、D4、D5、D8、D10-续流二极管，POWER-外部大功率直流电源, P4-外部大功率直流电源地， R15、R1、R2、R3、R8、R26-使能电阻，C1、C2-滤波电容，P2-电机控制接口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的实施方式并不限于此。

图3构成本发明的具体实施例1。

参照图3，本实施例包括控制芯片IC1，上拉电阻R28、R7，分压电阻R18、R16，限流电阻R17，MOS管Q1、Q2、Q3，三极管Q10、Q11、Q12，续流二极管D3、D4、D5、D8、D10。其结构特点是还包括外部大功率直流电源，外部大功率直流电源地P4，上拉电阻R5、R9、R10,使能电阻R15、R1、R2、R3、R8、R26，分压电阻R6、R21,滤波电容C1、C2，电机控制接口P2；

所述外部大功率直流电源和滤波电容C1、C2，控制芯片IC1，上拉电阻R5、R9、R10、R28、R7 , 分压电阻R6、R16、R18、R8、R26，限流电阻R17， 外部大功率直流电源地P4构成过流保护电路。控制芯片IC1的第一脚接上拉电阻R5的一端和分压电阻R6的一端并输出控制信号OutPutA连接后面电路，控制芯片IC1的第2脚接上拉电阻R10的一端和电阻R26的一端，控制芯片IC1的第3脚接上拉电阻R9的一端和控制芯片IC1的第7脚，控制芯片IC1的第4脚接数字地和分压电阻R6的另一端，控制芯片IC1的第5脚接上拉电阻R7的一端、分压电阻R18的一端、滤波电容C1的一端、滤波电容C2的一端，控制芯片IC1的第6脚接电阻R16的一端和数字地，控制芯片IC1的第7脚接电阻R16的另一端和控制芯片IC1的第3脚，控制芯片IC1的第8脚接外部大功率直流电源。上拉电阻R5、R9、R10的另一端接外部大功率直流电源，上拉电阻R28的一端接外部大功率直流电源，另一端接上拉电阻R7的另一端。滤波电容C1、C2的另一端接数字地。分压电阻R18的另一端接外部大功率直流电源地P4和限流电阻R17的一端。限流电阻R17的另一端接数字地。电阻R26的另一端接三极管Q12的C极，三极管Q12的E极接数字地，三极管Q12的B极接电阻R8的一端，电阻R8的另一端接控制信号InPutA-信号输入。

所述外部大功率直流电源和三极管Q10、Q11,使能电阻R15,分压电阻R21构成控制信号放大电路。三极管Q10的B极接使能电阻R15的一端和三极管Q11的B极，三极管Q10的C极接外部大功率直流电源，三极管的E极接三极管Q11的E极、分压电阻R21的一端和控制信号输出DrivM1-连接后面电路。使能电阻R15的另一端接过流保护电路输出的控制信号OutPutA。三极管Q11的C极接数字地。分压电阻R21的另一端接数字地。

所述外部大功率直流电源和MOS管Q1、Q2、Q3，使能电阻R1、R2、R3, 续流二极管D3、D4、D5、D8、D10，电机控制接口P2构成功率放大电路。续流二极管D8的第1脚接外部大功率直流电源和二极管D8的第2脚，二极管D8的第3脚接续流二极管D3的K端、MOS管Q1的D极、MOS管Q2的D极、MOS管Q3的D极和电机控制接口P2连接后面***，以控制直流电机的状态。续流二极管D3的A端接数字地。MOS管Q1的S极接数字地, MOS管Q1的G极接续流二极管D4的A端和使能电阻R1的一端。MOS管Q2的S极接数字地, MOS管Q2的G极接续流二极管D5的A端和使能电阻R2的一端。MOS管Q3的S极接数字地, MOS管Q3的G极接续流二极管D10的A端和使能电阻R3的一端。续流二极管D4的K端接续流二极管D10的K端、续流二极管D5的K端、使能电阻R1的另一端、使能电阻R2的另一端、使能电阻R3的另一端和控制信号放大电路的控制信号输出DrivM1-。

本实施例中，所述限流电阻R17用于监测电路中电流。所述三极管Q10用于放大控制信号。所述三极管Q11用于电机导通截止时使三极管Q11导通，形成放电回路保护前级电路。所述MOS管Q1、Q2、Q3用于提高驱动功率，更好的驱动电机的运转。

本实施例的工作原理：

参照图3，控制芯片IC1的第5、6、7脚和电阻R16、R7、R17、R18、R28以及滤波电容C1、C2构成限流回路，限制控制芯片IC1第3脚的输入电平。电路正常工作时，控制芯片IC1的第5脚电压高于控制芯片IC1的第6脚电压，控制芯片IC1的第7脚输出高电平。由于控制芯片IC1的第7脚和控制芯片IC1的第3脚相连，所以控制芯片IC1的第3脚也为高电平。

当电机控制PWM信号InputA-为高电平时，三极管Q12的C极、E极之间导通，控制芯片IC1的第2脚电平变为低电平，控制芯片IC1的第1脚输出控制信号OutPutA为高电平。高电平控制信号OutPutA经过一个使能电阻R15之后作用于三极管Q10和三极管Q11的B极，控制三极管Q10的C极、E极之间导通、Q11的C极、E极之间截止，驱动信号DrivM1-输出高电平。高电平驱动信号DrivM1-加载到功率放大部分电路中。驱动信号DrivM1-作用于电阻R1的另一端、电阻R2的另一端、电阻R3的另一端同时控制3路并联的MOS管导通，将电机控制接口P2电平拉低，电流经过三路MOS管形成的电流通道和限流电阻R17流回电池地P4从而形成完整的电流回路，使电机工作。

当电机控制PWM信号InputA-为低电平时，三极管Q12的C极、E极之间截止，控制芯片IC1的第2脚电平变为高电平而且电平电压高于控制芯片IC1的第3脚电压，控制芯片IC1的第1脚输出控制信号OutPutA为低电平。低电平控制信号OutPutA经过一个使能电阻R15之后作用于三极管Q10和三极管Q11的B极，控制三极管Q11的C极、E极之间导通、Q10的C极、E极之间截止，驱动信号DrivM1-输出低电平。低电平驱动信号DrivM1-加载到功率放大部分电路中。驱动信号DrivM1-作用于电阻R1的另一端、电阻R2的另一端、电阻R3的另一端同时控制3路并联的MOS管D极、S极之间截止，电机控制接口P2电平变为高电平，电机停止工作。二极管D3在这里起到吸收功率驱动电流体电容的作用。二极管D8接到低压直流电压的正极和电机的控制端之间，起到吸收电机由启动到停止时刻的反向电动势的作用。二极管D4、D5、D10在驱动信号DrivM1-为低电平的时候迅速释放MOS管Q1、Q2、Q3的G极电流，快速拉低G极电压，使MOS管Q1、Q2、Q3由之前的导通状态变为截止状态。

电路中电流过大时，控制芯片IC1的第5脚电压低于控制芯片IC1的第6脚电压，控制芯片IC1的第7脚输出低电平。由于控制芯片IC1的第7脚和控制芯片IC1的第3脚相连，所以控制芯片IC1的第3脚也为低电平。此时无论电机控制PWM信号InputA-为高电平还是低电平，控制芯片IC1的第1脚输出控制信号OutPutA都为低电平，也即是阻止了控制芯片IC1的第1脚输出PWM控制信号的产生。三极管Q10一直处于关断状态，三极管Q11处于导通状态，驱动信号DrivM1-一直为低电平。低电平驱动信号DrivM1-加载到功率放大部分电路中，使得MOS管Q1、Q2、Q3都处于关断状态，电机停止工作。随着电机停止工作，电路中流过的总电流也慢慢变小。一旦流过限流电阻R17的电流恢复正常值之后，控制芯片IC1的第5脚电压高于控制芯片IC1的第6脚电压，控制芯片IC1的第7脚输出高电平，控制芯片IC1的第3脚也为高电平。随着电机控制PWM信号InputA-的电平变化，控制芯片IC1的第1脚输出相应的PWM控制信号OutPutA，电路又恢复正常工作状态。

以上所述的本发明的实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神原则之内所作出的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (2)

1.一种带过流保护的低压大功率直流电机控制电路，包括外部直流电源，其特征在于，包括过流保护电路（1）以及与其连接控制信号放大电路（2）和功率放大电路（3）；

所述过流保护电路（1）包括控制芯片IC1，电阻R5-R10、电阻R16-R18、电阻R26、电阻R28、三极管Q12和电容C1、电容C2；

所述控制信号放大电路（2）包括三极管Q10、Q11和电阻R15、R21；

所述功率放大电路（3）包括续流二极管D3、D4、D5、D8、D10、MOS管Q1-Q3和电机控制接口P2；

所述控制芯片IC1的第一脚OutPutA接电阻R5的一端，还通过电阻R6接数字地；控制芯片IC1的第2脚InPutA-接电阻R10的一端，还通过电阻R26接三极管Q12的集电极，三极管Q12的发射极接数字地；控制芯片IC1的第3脚InPutA+接电阻R9的一端，还接控制芯片IC1的第7脚OutPutB；控制芯片IC1的第4脚GND接数字地；控制芯片IC1的第5脚InPutB+通过电阻R7接电阻R28的一端，还接电容C1的一端、电容C2的一端以及电阻R18的一端；控制芯片IC1的第6脚InPutB-通过电阻R16接控制芯片IC1的第7脚OutPutB；控制芯片IC1的第8脚VCC接电阻R28的另一端、电阻R5的另一端、电阻R9的另一端以及电阻R10的另一端；控制芯片IC1的第8脚VCC还接外部直流电源；

电容C1、C2的另一端以及控制芯片IC1的第6脚InPutB-接数字地，电容C1的另一端还通过电阻R17接数字地；电阻R18的另一端接外部直流电源地，同时接数字地；三极管Q12的基极通过电阻R8接控制芯片IC1的第2脚InPutA-；

控制芯片IC1的第一脚OutPutA通过电阻R15接三极管Q10的基极以及三极管Q11的基极；三极管Q10的集电极接外部直流电源，三极管Q10的发射极接三极管Q11的发射极，三极管Q11的集电极接数字地，三极管Q10的发射极还通过R21接数字地；

续流二极管D8的第1脚接外部直流电源和续流二极管D8的第2脚，续流二极管D8的第3脚接续流二极管D3的K端、MOS管Q1的D极、MOS管Q2的D极、MOS管Q3的D极和电机控制接口P2，续流二极管D3的A端接数字地；MOS管Q1的S极接数字地, MOS管Q1的G极接续流二极管D4的A端和电阻R1的一端；MOS管Q2的S极接数字地, MOS管Q2的G极接续流二极管D5的A端和电阻R2的一端；MOS管Q3的S极接数字地，MOS管Q3的G极接续流二极管D10的A端和使能电阻R3的一端；续流二极管D4的K端接续流二极管D10的K端、续流二极管D5的K端、电阻R1的另一端、电阻R2的另一端以及电阻R3的另一端；电阻R2的另一端接三极管Q10的发射极。

2.根据权利要求1带过流保护的低压大功率直流电机控制电路，其特征在于，所述电阻R28、R7、R5、R9、R10为上拉电阻，电阻R18、R16、R6、R21为分压电阻，电阻R17为限流电阻，电阻R15、R1、R2、R3、R8、R26为使能电阻，电容C1、C2为滤波电容。