CN112104302A - 一种有刷直流电机堵转检测和保护装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种有刷直流电机堵转检测和保护装置，包括主控芯片、电机驱动单元，直流电机和采样电路。电机驱动单元由驱动电路和MOSFET构成，采样电路由采样电阻和运算放大器芯片构成。采样电路与直流电机连接，主控芯片与采样电路连接，同时通过电机驱动单元与直流电机连接。本发明结构简单，检测准确，适用性广，可以应用于各类需要对有刷直流电机堵转故障进行检测和保护的场合。

Description

一种有刷直流电机堵转检测和保护装置
技术领域
本发明涉及电机堵转检测和保护技术领域，具体为一种有刷直流电机堵转检测和保护装置。
背景技术
在汽车行业中，直流电机被广泛应用于冷却风扇***中。而堵转故障是最为常见的故障，如果该故障不能被准确识别和保护，长时间导致电机温度升高，容易损伤电机和线路；同时由于风扇无法正常运转，会影响到整车的散热性能。现有的对堵转故障的识别和保护大多是依靠硬件电路和熔断装置实现的，具有通用性差和不可恢复的短处，因为熔断装置的断路片大多是焊接固定的，达到熔点后会断裂以达到断路的目的，这种断开方式是不可逆的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述技术现状而提供一种有刷直流电机堵转检测和保护装置，以解决上述背景技术中存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种有刷直流电机堵转检测和保护装置，包括主控芯片、电机驱动单元，直流电机和采样电路。所述电机驱动单元由驱动电路和MOSFET构成，采样电路由采样电阻与运算放大器芯片构成。
优选的，所述MOSFET的源极分别连接第3电阻、第4电阻和直流电机正极，所述第4电阻另一端分别连接第5电阻、第1电容和主控芯片第15管脚，所述第5电阻另一端接地，所述第1电容另一端接地。
优选的，所述采样电阻分别连接直流电机负极与第13电阻，所述采样电阻另一端接地。所述第13电阻另一端分别连接第12电阻、第5电容、第14电阻、第3电容以及运算放大器芯片的第6管脚。所述第12电阻另一端连接5伏电源，所述第5电容另一端接地，所述第14电阻另一端分别连接第6电容、第7电容以及运算放大器芯片的第3管脚。
优选的，所述运算放大器芯片的第1管脚分别连接第15电阻和第17电阻。所述第15电阻的另一端分别连接第8电容和主控芯片第16管脚。
优选的，所述运算放大器芯片的第7管脚分别连接第10电阻和第11电阻。所述第10电阻的另一端连接5伏电源，所述第11电阻另一端分别连接第4电容和主控芯片第17管脚，所述第4电容另一端接地。
优选的，所述主控芯片设有烧写口，可以通过烧写口对主控芯片进行程序烧写。
与现有技术相比，本发明通过主控芯片、采样电路和驱动单元，配合堵转检测算法，可以快速检测到堵转故障并切断电机输出，保护电机。当识别到堵转故障消失，又可恢复电机正常输出。通过调节堵转检测算法参数，修改主控芯片内的软件，可以适用于不用的应用场合。
附图说明
图1是本发明的***框图；
图2是本发明的采样电路图；
图3是本发明的电路原理图一；
图4是本发明的电路原理图二；
图5为本发明的电路原理图三；
图6为本发明的电路原理图四。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1图2所示，本实施例为一种有刷直流电机堵转检测和保护装置，包括主控芯片、电机驱动单元，直流电机和采样电路，所述电机驱动单元由驱动电路和MOSFET组成，所述采样电路由运算放大器芯片组成。
所述主控芯片通过驱动电路连接MOSFET的栅极，驱动直流电机运行，所述直流电机正极通过电阻R4和R5分压连接到主控芯片U1的AD采集端口，主控芯片U1通过内置AD采集功能，实时采集直流电机两端的电压。
所述直流电机的负极连接采样电阻R7的一端，同时连接到电阻R13的一端，所述采样电阻R7另一端接地，所述电阻R13另一端连接运算放大器U2A的负输入端和电阻R14的一端，所述电阻R14的另一端，连接运算放大器U2B的正输入端。
所述运算放大器U2A与电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电容C2、电容C3和电容C4构成了比较电路，所述电阻R11的一端连接运算放大器U2A的第7管脚，所述电阻R11的另一端通过网络CURRENT_OVER连接主控芯片U1的外部中断输入管脚。主控芯片U1通过对外部中断的响应，可以快速处理比较电路的输出结果。当电机发生堵转时，流过的电流增大，采样电阻R9两端的电压升高到比较阈值，比较电路输出有效，主控芯片可以快速响应，通过软件迅速切断PWM输出，关闭MOSFET，保护电机。
所述运算放大器U2B与电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电容C6、电容C7和电容C8构成了放大电路，所述电阻R15的一端连接运算放大器U2B的第1管脚，所述电阻R15的另一端通过网络CURRENT_MTR连接主控芯片U1的AD采样输入管脚。主控芯片U1通过内置的AD采样功能，实时采集放大电路的输出，并转换为流过电机的电流。
通过主控芯片内的堵转检测算法，分析采集到的电压和电流，判断电机是否堵转，如果检测到堵转故障则停止PWM输出，关闭MOSFET保护电机。
所述主控芯片U1设有烧写口P1，可通过烧写口P1对主控芯片U1进行程序烧写。
本发明的堵转检测方法和保护方法包括如下步骤：
A、主控芯片U1输出PWM信号，通过驱动电路对MOSFET Q1进行开关操作，从而改变施加在直流电机M1两端的电压，驱动电机M1运转。并通过采样电路采集电机M1两端的电压和流过的电流。
B、直流电机M1正极通过电阻R4和电阻R5分压，通过VOLTAGE_MTR网络连接到主控芯片U1的AD采集输入管脚，通过主控芯片U1内部的AD采集换算，可以计算出电机M1两端的电压。
C、采样电路的运算放大器芯片内置两块运算放大器分别是U2A和U2B。
D、如图2，其中U2A构成了比较电路，比较电路的输入是采样电阻R7的端电压，也就是流过电机M1的电流。比较电路的输出连接到主控芯片U1的外部中断输入管脚。当比较输出有效时，触发主控芯片U1外部中断，主控芯片U1可以快速动作，关闭PWM输出，关断MOSFETQ1，切断电机M1输出，保护电机。通过调节电阻R8和R9，可以修改比较阈值，以适应不同的应用场合。
E、U2B构成了放大电路，放大电路的输入是采样电阻R7两端的端电压，即流过电机M1的电流，放大电路的输出连接到主控芯片U1的AD采集输入管脚17。通过AD采集与换算，可以计算出流过电机M1的电流值。
F、主控芯片U1实时采样电机M1端电压和流过的电流，通过电压和电流的关系可以判断电机是否堵转。若发生堵转，主控芯片U1可快速响应，关闭芯片的PWM输出，关闭MOSFET保护电机。当堵转故障消失后，主控芯片U1也可及时检测到，恢复电机的输出。
通过基于电机端电压与电流的堵转检测算法，可以准确识别电机的堵转故障。其原理是，若电机发生堵转，由于此时反电势为零，在相同的端电压下，流过的电流会大于正常工作的最大电流。软件算法根据不同的端电压设置对应的电流比较阈值，即可判断堵转故障。
综上所述，本发明结构原理简单，可以快速准确地检测电机堵转故障并保护电机，防止电机卡死、发热等故障。通过修改硬件参数和软件参数，本发明可应用于多种需求场合，具有很好的通用性。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种有刷直流电机堵转检测和保护装置，包括主控芯片，电机驱动单元，直流电机和采样电路，所述电机驱动单元由驱动电路和MOSFET构成，采样电路由采样电阻与运算放大器芯片构成。
2.根据权利要求1所述的有刷直流电机堵转检测和保护装置，其特征在于：还包括比较电路，连接在所述主控芯片与所述运算放大器芯片之间。
3.根据权利要求2所述的有刷直流电机堵转检测和保护装置，其特征在于：采样电路的运算放大器芯片内置两块运算放大器分别是U2A和U2B，所述运算放大器U2A与电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电容C2、电容C3和电容C4构成了比较电路，所述电阻R11的一端连接运算放大器U2A的第7管脚，所述电阻R11的另一端通过网络CURRENT_OVER连接主控芯片U1的外部中断输入管脚。
4.根据权利要求1所述的有刷直流电机堵转检测和保护装置，其特征在于：所述MOSFET的源极分别连接第3电阻、第4电阻和直流电机正极，所述第4电阻另一端分别连接第5电阻、第1电容和主控芯片第15管脚，所述第5电阻另一端接地，所述第1电容另一端接地。
5.根据权利要求1所述的有刷直流电机堵转检测和保护装置，其特征在于：所述采样电阻分别连接直流电机负极与第13电阻，所述采样电阻另一端接地，所述第13电阻另一端分别连接第12电阻、第5电容、第14电阻、第3电容以及运算放大器芯片的第6管脚，所述第12电阻另一端连接5伏电源，所述第5电容另一端接地，所述第14电阻另一端分别连接第6电容、第7电容以及运算放大器芯片的第3管脚。
6.根据权利要求1所述的有刷直流电机堵转检测和保护装置，其特征在于：所述运算放大器芯片的第1管脚分别连接第15电阻和第17电阻，所述第15电阻的另一端分别连接第8电容和主控芯片第16管脚。
7.根据权利要求1所述的有刷直流电机堵转检测和保护装置，其特征在于：所述运算放大器芯片的第7管脚分别连接第10电阻和第11电阻，所述第10电阻的另一端连接5伏电源，所述第11电阻另一端分别连接第4电容和主控芯片第17管脚，所述第4电容另一端接地。
8.根据权利要求1所述的有刷直流电机堵转检测和保护装置，其特征在于：所述主控芯片设有烧写口，可以通过烧写口对主控芯片进行程序烧写。
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