CN110557058A - 一种直流无刷电机启动保护方法及电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电机控制***，具体涉及一种直流无刷电机启动保护方法及电路；解决现有直流无刷电机启动电路大多直接启动电机时，由于启动电流过大，易造成器件运行不良而导致逻辑错误的技术问题。一种直流无刷电机启动保护方法，包括以下步骤：步骤1)设置短路保护电流限值A及过载保护电流限值B；步骤2)设置板级温度限值C；步骤3)开启电机；步骤4)测量直流无刷电机电源干道上的电流值；步骤5)采集电流信号，并判断该电流信号值是否到达短路保护电流限值A；步骤6)判断该电流信号值是否到过载保护电流限值B；步骤7)采集板级温度值，并判断将该温度值是否到达板级温度限值C。同时本发明还提供了一种直流无刷电机启动保护电路。

Description

一种直流无刷电机启动保护方法及电路

技术领域

本发明涉及一种电机控制***，具体涉及一种直流无刷电机启动保护方法及电路。

背景技术

直流无刷电机是一种将直流电能转换为机械能的装置。直流无刷电机分为直流无刷电机和直流有刷电机。直流无刷电机的出现是基于功率开关技术和永磁同步技术的发展，由于直流无刷电机使用霍尔传感器传递转子的位置，无电刷、无接口、无噪声，使用寿命长，故目前汽车上用到的直流无刷电机多为无刷型。

直流无刷电机启动一般有三种方式：第一种是降压启动，启动消耗能量小，启动平滑，但是需要专门的电源设备；第二种是电枢回路串电阻启动，启动消耗能量较大，不适合频繁启停；第三种是直接启动，不需要附加设备，启动方便，但是启动瞬间伴随着庞大的启动电流，易造成器件运行不良而导致逻辑错误。

现有的直流无刷电机启动电路大多存在直接启动时，由于启动电流过大，易造成器件运行不良而导致逻辑错误的缺点。

发明内容

为了解决现有直流无刷电机启动电路大多直接启动电机时，由于启动电流过大，易造成器件运行不良而导致逻辑错误的技术问题，本发明提供了一种直流无刷电机启动保护方法及电路。

本发明的技术解决方案是：一种直流无刷电机启动保护方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1)设置短路保护电流限值A及过载保护电流限值B，其中A＞B；

步骤2)设置板级温度限值C；

步骤3)开启电机；

步骤4)测量直流无刷电机电源干道上的电流值；

步骤5)采集步骤4)得到的电流信号，并将该电流信号与短路保护电流限值A进行比较；若该电流信号值大于或等于短路保护电流限值A，则断开电路；若该电流信号值小于短路保护电流限值A，则进入步骤6)；

步骤6)将步骤4)中的电流信号与过载保护电流限值B进行比较；若该电流信号值大于或等于过载保护电流限值B，则断开电路；若该电流信号值小于过载保护电流限值B，则进入步骤7)；

步骤7)采集板级温度值，并将该温度值与板级温度限值C进行比较，若该温度值大于或等于板级温度限值C，则断开电路；若该温度值小于板级温度限值C，电路继续闭合并则进入步骤5)。

进一步地，还包括步骤8)电路断开一定时间后，判断是否需要重新启动电机，若是，则闭合电路；若否，则保持电路断开。

同时本发明还提供了一种直流无刷电机启动保护电路，其特殊之处在于：

包括电流采集电路、短路保护电路和过载超温保护电路；

所述电流采集电路的输入端接电源干道上测流电阻R1的两端，所述电流采集电路的输出端与所述短路保护电路的输入端、所述过载超温保护电路的输入端和输出端共接；所述短路保护电路的输出端用于接开关电路。

进一步地，所述电流采集电路包括测流芯片U1、第一RC滤波电路、电阻R3、电阻R4、电阻R5和第二RC滤波电路；

所述测流芯片U1的正输入端IN+和负输入端IN-分别接测流电阻R1的两端；所述测流芯片U1的输出端OUT接电阻R5的一端和所述第二RC滤波电路的输入端；电阻R5的另一端接地；所述第二RC滤波电路的输出端与所述短路保护电路的输入端、所述过载超温保护电路的输入端和输出端共接；所述测流芯片U1的第一参考电平输入端REF1接所述电阻R4的一端；所述测流芯片U1的第二参考电平输入端REF2接所述电阻R5的一端；所述电阻R4和电阻R5的另一端均接地；所述第一RC滤波电路的输入端接电源正极，其输出端接所述测流芯片U1的电源输入端VS；所述测流芯片U1的接地端GND接地。

进一步地，所述过载超温保护电路包括第一比较器U2A、防反向电压稳压二极管D1、第三RC滤波电路、第四RC滤波电路、电阻R8、电阻R9、电阻R11、热敏电阻R12、电容C4、电容C6和电容C7；

所述第四RC滤波电路的输入端接所述第一RC滤波电路的输出端，所述第四RC滤波电路的输出端接所述第一比较器U2A的正输入端；所述电阻R8的一端接电源正极，所述电阻R8的另一端、电阻R9和电容C4的共同端接所述第一比较器U2A的负输入端；所述第一比较器U2A的输出端接所述热敏电阻R12、电容C6、电容C7的共同端和防反向电压稳压二极管D1的阳极；所述电阻R12的另一端串联所述电阻R11后接电源正极；所述电容C6和电容C7的另一端均接地；所述防反向电压稳压二极管D1的阴极接所述短路保护电路的输入端；所述第三RC滤波电路的输入端接电源正极，所述第三RC滤波电路的输出端接所述第一比较器U2A的电源输入端。

进一步地，所述短路保护电路包括第二比较器U2B、第一与非门U3A、第二与非门U3B、第三与非门U3C、第四与非门U3D、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电容C9、电容C10、电容C11和电容C12；

所述第二比较器U2B的负输入端接所述第一RC滤波电路的输出端和所述防反向电压稳压二极管D1的阴极；电阻R13的一端接电源正极，其另一端接并联设置的电阻R14和电容C9的一端，电阻R14和电容C9的另一端均接所述第二比较器U2B的正输入端；所述第二比较器U2B的输出端分别接电阻R15和第四与非门U3D其中一个输入端；电阻R15的另一端接电源正极；

所述第四与非门U3D的另一个输入端分别接所述第三与非门U3C的输出端和所述第一与非门U3A的其中一个输入端；第四与非门U3D的输出端接所述第三与非门U3C的其中一个输入端；

所述第三与非门U3C的另一个输入端接电阻R17、电阻R16和电容C10的共同端；电阻R17的另一端接电源正极；电容C10的另一端接地；电阻R16的另一端用于接CPU；

所述第一与非门U3A的另一个输入端接电阻R19和电阻R18的共同端；所述电阻R19的另一端接地；所述电阻R18的另一端用于接CPU；所述第一与非门U3A的输出端分别接所述第二与非门U3B的两个输入端；所述第二与非门U3B的电源端接所述电阻R20和电容C11的共同端；所述电阻R20的另一端接电源正极；所述电容C11的另一端接地；所述第一与非门U3A的接地端接地；

所述第二与非门U3B的输出端接所述电阻R21、电阻R22和电容C12的共同端；电阻R21的另一端接电源正极；电容C12的另一端接地；电阻R22的另一端用于接开关电路。

进一步地，所述测流芯片U1为具有出色共模抑止比、低漂移的测流芯片。

进一步地，所述第一RC滤波电路包括串联设置的电阻R2和电容C1；所述第二RC滤波电路包括串联设置的电阻R6和电容C2；所述第三RC滤波电路包括串联设置的电阻R10和电容C5。

进一步地，所述第四RC滤波电路包括电阻R7、电容C3和电容C8；电容C3和电容C8并联后与电阻R7串联。

进一步地，所述电源为+5V电源。

本发明相比现有技术的有益效果是：

1、本发明通过电流采集电路、过载超温保护电路及短路保护电路的结合精确采集电机主干道上的电压值，并对该值电压进行处理，超过过载保护限值时，电路会自动断开，确保不会因为过载造成电路烧毁或造成易造成器件运行不良而导致逻辑错误；当瞬间电流过大时，超过短路保护限值时，会唤醒短路保护电路断开电路，保证电路板不会烧毁。

2、本发明中电流采集电路的输出端设有RC滤波电路，将电机启动瞬间的波动进行处理，保证电机不会因为瞬间大电流造成误保护。

3、本发明的电流采集电路采用具有出色共模抑止比、低漂移的电流感测放大设计，可实现精确测量电流，而不会使输出电压产生较大的瞬变及相应的恢复纹波。

4、本发明采用热敏电阻，当温度达到保护值时，易可达到保护功能。

5、本发明通过比较器与逻辑门电路的组合共同实现对电源干道上电压的控制，控制更可靠。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明一个具体实施例中的电流采集电路图；

图3为本发明一个具体实施例中的过载超温保护电路图；

图4为本发明一个具体实施例中的短路保护电路图；

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步的描述。

参照图1，该直流无刷电机启动保护方法，包括以下步骤：

步骤1)设置短路保护电流限值A及过载保护电流限值B，其中A＞B；

步骤2)设置板级温度限值C；

步骤3)开启电机；

步骤4)测量直流无刷电机电源干道上的电流值；

步骤5)采集步骤4)得到的电流信号，并将该电流信号与短路保护电流限值A进行比较；若该电流信号值大于或等于短路保护电流限值A，则断开电路；若该电流信号值小于短路保护电流限值A，则进入步骤6)；

步骤6)将步骤4)中的电流信号与过载保护电流限值B进行比较；若该电流信号值大于或等于过载保护电流限值B，则断开电路；若该电流信号值小于过载保护电流限值B，则进入步骤7)；

步骤7)采集板级温度值，并将该温度值与板级温度限值C进行比较，若该温度值大于或等于板级温度限值C，则断开电路；若该温度值小于板级温度限值C，电路继续闭合并则进入步骤5)。

步骤8)电路断开一定时间后，判断是否需要重新启动电机，若是，则闭合电路；若否则保持电路断开。

参照图2至图4，该直流无刷电机启动保护电路，包括电流采集电路、短路保护电路和过载超温保护电路。电流采集电路的输入端接电源干道上测流电阻R1的两端，电流采集电路的输出端与短路保护电路的输入端、过载超温保护电路的输入端和输出端共接；短路保护电路的输出端用于接开关电路。测流芯片U1为具有出色共模抑止比、低漂移的测流芯片。

参照图2，该电流采集电路包括测流芯片U1、第一RC滤波电路、电阻R3、电阻R4和第二RC滤波电路。第一RC滤波电路包括串联设置的电阻R2和电容C1。第二RC滤波电路包括串联设置的电阻R6和电容C2。

测流芯片U1的正输入端IN+和负输入端IN-分别接测流电阻R1的两端；测流电阻R1的两端为电源主干道。测流芯片U1的输出端OUT接电阻R5的一端和第二RC滤波电路的输入端；电阻R5的另一端接地；测流芯片U1的输出端OUT输出的是经放大后的电压信号；第二RC滤波电路的输出端与短路保护电路的输入端、过载超温保护电路的输入端和输出端共接；测流芯片U1的第一参考电平输入端REF1接电阻R4的一端；测流芯片U1的第二参考电平输入端REF2接电阻R5的一端；电阻R4和电阻R5的另一端均接地；第一RC滤波电路的输入端接电源正极，其输出端接测流芯片U1的电源输入端VS；测流芯片U1的接地端GND接地。本实施例中的电源为+5V电源。

参照图3，过载超温保护电路包括第一比较器U2A、防反向电压稳压二极管D1、第三RC滤波电路、第四RC滤波电路、电阻R8、电阻R9、电阻R11、热敏电阻R12、电容C4、电容C6和电容C7。第三RC滤波电路包括串联设置的电阻R10和电容C5。第四RC滤波电路包括电阻R7、电容C3和电容C8。

电阻R7的一端接第一RC滤波电路的输出端，电阻R7的另一端、电容C3、电容C8的共同端接第一比较器U2A的正输入端；电容C3和电容C8的另一端均接地；电阻R8的一端接电源正极，电阻R8的另一端、电阻R9和电容C4的共同端接第一比较器U2A的负输入端；第一比较器U2A的输出端接热敏电阻R12、电容C6、电容C7的共同端和防反向电压稳压二极管D1的阳极；电阻R12的另一端串联电阻R11后接电源正极；电容C6和电容C7的另一端均接地；防反向电压稳压二极管D1的阴极接短路保护电路的输入端。

参照图4，短路保护电路包括第二比较器U2B、第一与非门U3A、第二与非门U3B、第三与非门U3C、第四与非门U3D、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电容C9、电容C10、电容C11和电容C12。

第二比较器U2B的负输入端接第一RC滤波电路的输出端和防反向电压稳压二极管D1的阴极；电阻R13的一端接电源正极，其另一端接并联设置的电阻R14和电容C9的一端，电阻R14和电容C9的另一端均接第二比较器U2B的正输入端；第二比较器U2B的输出端分别接电阻R15和第四与非门U3D其中一个输入端；电阻R15的另一端接电源正极。

第四与非门U3D的另一个输入端分别接第三与非门U3C的输出端和第一与非门U3A的其中一个输入端；第四与非门U3D的输出端接第三与非门U3C的其中一个输入端。

第三与非门U3C的另一个输入端接电阻R17、电阻R16和电容C10的共同端；电阻R17的另一端接电源正极；电容C10的另一端接地；电阻R16的另一端用于接CPU。

第一与非门U3A的另一个输入端接电阻R19和电阻R18的共同端；电阻R19的另一端接地；电阻R18的另一端用于接CPU；第一与非门U3A的输出端分别接第二与非门U3B的两个输入端；第二与非门U3B的电源端接电阻R20和电容C11的共同端；电阻R20的另一端接电源正极；电容C11的另一端接地；第一与非门U3A的接地端接地。

第二与非门U3B的输出端接电阻R21、电阻R22和电容C12的共同端；电阻R21的另一端接电源正极；电容C12的另一端接地；电阻R22的另一端用于接开关电路。

参照图2至图4，该该直流无刷电机启动保护电路的工作原理如下：

测流芯片U1输入电源干道上测流电阻R1两端的电压，输出经放大后的电压信号。该电压信号经R6和C2滤波后(此滤波电路对干扰信号进行处理，如冷启动瞬间大电流，防止误操作产生)，得到过滤掉干扰信号的电压信号，该信号分为两路，一路经由第二比较器U2B的负输入端进入短路保护电路，并与第二比较器U2B的正输入端的短路保护电压限值(可换算为相应的短路保护电流限值A)进行比较(短路保护电流限值A根据板级散热及电机负载确定)，第二比较器U2B的输出的信号与第一与非门U3A、第二与非门U3B、第三与非门U3C和第四与非门U3D共同实现对电源干道的控制；另一路经第四RC滤波电路滤波后，由第一比较器U2A的正输入端进入过载超温保护电路，并与第一比较器U2A的负输入端的过载保护电压限值(可换算为相应的过载保护电流限值B)进行比较(过载保护电流限值B根据板级散热及电机负载确定)。第一比较器U2A的输出端设置热敏电阻R12，当板级温度达到板级温度限值C时，亦可实现保护功能。

本例实施中，当第二与非门U3B输出高电平时，整个电路导通，电机可正常工作；当第二与非门U3B输出低电平时，整个电机电源供电断开。

电流上电瞬间，由于当第一与非门U3A的输入2脚接下拉电阻，故其输入低电平，输出高电平，即第二与非门U3B输出低电平，电路被断开。此时主芯片给R18输入高电平，给R16输入短暂的低电平。第三与非门U3C的8脚输出高电平，9脚输出低电平，8脚输出高电平被锁定，同时第一与非门U3A的2脚为高电平，3脚为低电平，6脚为高电平，电机供电电路闭合。若电路异常，出现短路等现象导致第二比较器U2B的7脚输出为低电平，此时由于第三与非门U3C的8脚为高电平，第四与非门U3D的11脚为高，另外此时主芯片给R16一端输入高电平，第三与非门U3C的8脚被拉低。此时第一与非门U3A的3脚为高，第二与非门U3B的6脚为低，电机供电被断开。此时主芯片会时刻检测电机状态，并尝试重新启动电机，此时电路逻辑状态同开启瞬间。

以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种直流无刷电机启动保护方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1)设置短路保护电流限值A及过载保护电流限值B，其中A＞B；

步骤2)设置板级温度限值C；

步骤3)开启电机；

步骤4)测量直流无刷电机电源干道上的电流值；

步骤5)采集步骤4)得到的电流信号，并将该电流信号与短路保护电流限值A进行比较；若该电流信号值大于或等于短路保护电流限值A，则断开电路；若该电流信号值小于短路保护电流限值A，则进入步骤6)；

步骤6)将步骤4)中的电流信号与过载保护电流限值B进行比较；若该电流信号值大于或等于过载保护电流限值B，则断开电路；若该电流信号值小于过载保护电流限值B，则进入步骤7)；

步骤7)采集板级温度值，并将该温度值与板级温度限值C进行比较，若该温度值大于或等于板级温度限值C，则断开电路；若该温度值小于板级温度限值C，电路继续闭合并则进入步骤5)。

2.根据权利要求1所述的一种直流无刷电机启动保护方法，其特征在于：

还包括步骤8)电路断开一定时间后，判断是否需要重新启动电机，若是，则闭合电路；若否，则保持电路断开。

3.一种直流无刷电机启动保护电路，其特征在于：

包括电流采集电路、短路保护电路和过载超温保护电路；

所述电流采集电路的输入端接电源干道上测流电阻R1的两端，所述电流采集电路的输出端与所述短路保护电路的输入端、所述过载超温保护电路的输入端和输出端共接；所述短路保护电路的输出端用于接开关电路。

4.根据权利要求3所述的一种直流无刷电机启动保护电路，其特征在于：

所述电流采集电路包括测流芯片U1、第一RC滤波电路、电阻R3、电阻R4、电阻R5和第二RC滤波电路；

所述测流芯片U1的正输入端IN+和负输入端IN-分别接测流电阻R1的两端；所述测流芯片U1的输出端OUT接电阻R5的一端和所述第二RC滤波电路的输入端；电阻R5的另一端接地；所述第二RC滤波电路的输出端与所述短路保护电路的输入端、所述过载超温保护电路的输入端和输出端共接；所述测流芯片U1的第一参考电平输入端REF1接所述电阻R4的一端；所述测流芯片U1的第二参考电平输入端REF2接所述电阻R5的一端；所述电阻R4和电阻R5的另一端均接地；所述第一RC滤波电路的输入端接电源正极，其输出端接所述测流芯片U1的电源输入端VS；所述测流芯片U1的接地端GND接地。

5.根据权利要求4所述的一种直流无刷电机启动保护电路，其特征在于：

所述过载超温保护电路包括第一比较器U2A、防反向电压稳压二极管D1、第三RC滤波电路、第四RC滤波电路、电阻R8、电阻R9、电阻R11、热敏电阻R12、电容C4、电容C6和电容C7；

所述第四RC滤波电路的输入端接所述第一RC滤波电路的输出端，所述第四RC滤波电路的输出端接所述第一比较器U2A的正输入端；所述电阻R8的一端接电源正极，所述电阻R8的另一端、电阻R9和电容C4的共同端接所述第一比较器U2A的负输入端；所述第一比较器U2A的输出端接所述热敏电阻R12、电容C6、电容C7的共同端和防反向电压稳压二极管D1的阳极；所述电阻R12的另一端串联所述电阻R11后接电源正极；所述电容C6和电容C7的另一端均接地；所述防反向电压稳压二极管D1的阴极接所述短路保护电路的输入端；所述第三RC滤波电路的输入端接电源正极，所述第三RC滤波电路的输出端接所述第一比较器U2A的电源输入端。

6.根据权利要求3-5任一所述的一种直流无刷电机启动保护电路，其特征在于：

所述短路保护电路包括第二比较器U2B、第一与非门U3A、第二与非门U3B、第三与非门U3C、第四与非门U3D、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电容C9、电容C10、电容C11和电容C12；

所述第二比较器U2B的负输入端接所述第一RC滤波电路的输出端和所述防反向电压稳压二极管D1的阴极；电阻R13的一端接电源正极，其另一端接并联设置的电阻R14和电容C9的一端，电阻R14和电容C9的另一端均接所述第二比较器U2B的正输入端；所述第二比较器U2B的输出端分别接电阻R15和第四与非门U3D其中一个输入端；电阻R15的另一端接电源正极；

所述第四与非门U3D的另一个输入端分别接所述第三与非门U3C的输出端和所述第一与非门U3A的其中一个输入端；第四与非门U3D的输出端接所述第三与非门U3C的其中一个输入端；

所述第三与非门U3C的另一个输入端接电阻R17、电阻R16和电容C10的共同端；电阻R17的另一端接电源正极；电容C10的另一端接地；电阻R16的另一端用于接CPU；

所述第一与非门U3A的另一个输入端接电阻R19和电阻R18的共同端；所述电阻R19的另一端接地；所述电阻R18的另一端用于接CPU；所述第一与非门U3A的输出端分别接所述第二与非门U3B的两个输入端；所述第二与非门U3B的电源端接所述电阻R20和电容C11的共同端；所述电阻R20的另一端接电源正极；所述电容C11的另一端接地；所述第一与非门U3A的接地端接地；

所述第二与非门U3B的输出端接所述电阻R21、电阻R22和电容C12的共同端；电阻R21的另一端接电源正极；电容C12的另一端接地；电阻R22的另一端用于接开关电路。

7.根据权利要求8所述的一种直流无刷电机启动保护电路，其特征在于：所述测流芯片U1为具有出色共模抑止比、低漂移的测流芯片。

8.根据权利要求7所述的一种直流无刷电机启动保护电路，其特征在于：所述第一RC滤波电路包括串联设置的电阻R2和电容C1；所述第二RC滤波电路包括串联设置的电阻R6和电容C2；所述第三RC滤波电路包括串联设置的电阻R10和电容C5。

9.根据权利要求8所述的一种直流无刷电机启动保护电路，其特征在于：所述第四RC滤波电路包括电阻R7、电容C3和电容C8；电容C3和电容C8并联后与电阻R7串联。

10.根据权利要求9所述的一种直流无刷电机启动保护电路，其特征在于：所述电源为+5V电源。