一種無刷直流電機過流保護電路的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種無刷直流電機過流保護電路，無刷直流電機的驅動器逆變橋具有由功率開關器件組成的橋臂U、橋臂V和橋臂W，控制器控制功率開關器件的閉合與截斷實現直流電機向外輸出力矩，過流保護電路包括電流采樣電路，所述的電流采樣電路輸出接所述的控制器；所述的電流采樣電路的采樣點分別設置在橋臂U、橋臂V和橋臂W的上橋功率開關器件與直流電源的連接處和下橋功率開關器件與地之間。本實用新型通過對輸入到任何一個功率開關管的電流進行檢測當任何一個功率開關管的電流過大時，采取有力措施保護功率開關管。
【專利說明】
一種無刷直流電機過流保護電路
技術領域
[0001]本實用新型涉及對無刷電機進行過流保護的領域，特別涉及一種在電機開關控制信號故障時對直流無刷電機進行過流保護的電路。
【背景技術】
[0002]無刷直流電機由電動機主體和驅動器組成，是一種典型的機電一體化產品。電動機的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機十分相似。電動機的轉子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動機轉子的極性，在電動機內裝有位置傳感器HALL傳感器。驅動器由功率電子器件和集成電路等構成如圖1、圖2所示，它是一種H型逆變橋，逆變橋的三個橋臂U、V、W分別對應三相的定子繞組的U相、V相、W相，其中每個橋臂由兩個開關功率器件組成，開關功率器件Tl、T4組成橋臂U，開關功率器件T2、T5組成橋臂V，開關功率器件T3、T6組成橋臂W，本領域技術人員知道，橋臂是不能直通的，就是說Tl和T4、T2和T5以及T3和T6是不能同時導通的。為了描述直觀易懂，在以后的描述中開關功率器件由開關T和二極管D代替。因此，控制器通過控制這些開關的導通與截斷實現對直流無刷電機的工作控制。另夕卜，控制器接受位置傳感器信號和正反轉信號，用來控制逆變橋各功率開關器件的通斷，產生連續轉矩;接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調整轉速;提供保護和顯示等等。
[0003]目前無刷直流電機過流保護電路基本都是采樣流經電源，或流經地的電流如圖1和圖2所示，它是檢測總的電流，也就是流過三相繞組的電流總和，通過這個電流大小判斷功率管的電流是否過流，然而由于電機運行時有反向電動勢的存在，電機運行時如果出現位置的計算錯誤，如HALL輸入信號出現故障，功率管的控制信號有可能出現誤信號，使得電機一端的輸出電流急劇增大。而同時由于電機運行時本來就有比較大的電流，電機的另外一端會出現反向續流。這就造成反向電動勢產生的正向電流和電機電感的反向續流在電流采樣電路上相互抵消，通用的采樣電路可能檢測不到突然增大的電流，保護電路無法對流過功率管的過流就行保護，進而燒壞功率管的情況。
[0004]具體的如圖1和圖2所示，該兩個電路目前無刷電機過流保護進行過流檢測的電路，如果通過電流采樣獲知超過了限定的電流，則通過控制器截斷所有加入到繞組的電壓，對無刷直流電機進行有效的保護。如圖1所示，當電機正常運行時Τ2，Τ4導通，電流由MOTV流過M0TU，當HALL出現故障或電機位置計算錯誤時，輸出功率管可能出現如圖2所示的情況，功率管Τ4導通，Τ2斷開，由于反向電動勢的影響，流經Τ4的電流可能會急劇增加，同時由于電機電感反向續流的原因，會有很大反向電流流通反向二極管D5，由于D5反向續流的影響，流過Τ4的正向電流和流經D5的反向電流相互抵消，電流將不會流經采樣電路，從而檢測不到電流的大小，保護電路無法判斷電流是否過大，從而造成功率管燒壞。
【實用新型內容】
[0005]本實用新型的目的在于克服上述問題，提供一種無刷直流電機過流保護電路，該電路通過同時采樣流經6個功率管的電流，判斷是否有功率管出現大的電流情況，同時輸出控制信號給過流保護模塊，讓過流保護模塊輸出信號給驅動電路，當出現過流時驅動電路關掉功率管，進而達到過流保護的功能。
[0006]本實用新型為了實現其技術目的所采用的技術方案如下:一種無刷直流電機過流保護電路，無刷直流電機的驅動器逆變橋具有由功率開關器件組成的橋臂U、橋臂V和橋臂W，控制器控制功率開關器件的閉合與截斷實現直流電機向外輸出力矩，過流保護電路包括電流采樣電路，所述的電流采樣電路輸出接所述的控制器;所述的電流采樣電路的采樣點分別設置在橋臂U、橋臂V和橋臂W的上橋功率開關器件與直流電源的連接處和下橋功率開關器件與地之間。
[0007]本實用新型通過對輸入到任何一個功率開關管的電流進行檢測當任何一個功率開關管的電流過大時，采取有力措施保護功率開關管。
[0008]進一步的，上述的直流電機過流保護電路中:所述電流檢測電路包括檢測電阻，所述的檢測電路分別串連在上橋功率開關器件與直流電源的連接之間和下橋功率開關器件與地之間，所述電流檢測電路的檢測信號線分別由檢測電阻與上橋功率開關器件的連接線上引出和下橋功率開關器件與檢測電阻連接線上引出。
[0009]進一步的，上述的直流電機過流保護電路中:所述的控制器中包括過流判斷電路，所述的過流判斷電路包括上橋功率開關器件過流判斷電路和下橋功率開關器件過流判斷電路；
[0010]所述的上橋功率開關器件過流判斷電路包括對檢測電阻與上橋功率開關器件的連接線上電壓與第一基準電壓進行比較的第一比較電路;檢測電阻與上橋功率開關器件的連接線上電壓低于第一基準電壓時，第一比較電路輸出過流有效信號；
[0011]所述的下橋功率開關器件過流判斷電路包括對下橋功率開關器件與檢測電阻連接線上電壓與第二基準電壓進行比較的第二比較電路;下橋功率開關器件與檢測電阻的連接線上電壓高于第二基準電壓時，第二比較電路輸出過流有效信號。
[0012]進一步的，上述的直流電機過流保護電路中:所述的控制器中包括過流保護電路，所述的過流保護電路為一六輸入的邏輯“或”門電路，所述的邏輯“或”門電路的六個輸入信號分別與過流判斷電路相連，所述的邏輯“或”門電路有效則輸出低電平接驅動電路。
【附圖說明】
[0013]圖1為目前無刷直流電機過流保護電路電機運行時電流流經方向簡圖。
[0014]圖2為目前過流保護電路電機輸出錯誤時電流流經方向簡圖。
[0015]圖3是本實用新型無刷直流電機過流保護電路原理圖。
[0016]圖4是本實用新型實施例1中功率開關器件和電流采樣電路原理圖。
[0017]圖5是本實用新型實施例1中上橋功率開關器件過流判斷電路原理圖。
[0018]圖6是本實用新型實施例1中下橋功率開關器件過流判斷電路原理圖。
[0019]圖7是本實用新型實施例1中6輸入過流保護邏輯電路原理圖。
[0020]圖8是本實用新型實施例1中電機運行時電流電經方向圖。
[0021]圖9是本實用新型實施例1中電機輸出錯誤時電流電經方向圖。
【具體實施方式】
[0022]為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。
[0023]實施例1，本實施例是一種對無刷直流電機進行過流保護的電路，與目前所有的無刷直流電機過流保護電路不同的地方是，本實施例中對每個橋臂功率開關器件都進行電流檢測，在實踐中檢測輸入到每個功率開關器件中的電路，如果有任何一個功率開關管輸入的電流超過規定的限定，則立即通過驅動電路切斷功率開關器件保護電機，如圖3所示，在功率開關器件組成的橋臂U、橋臂V和橋臂W中，這些功率開關器件可以簡化為一個開關與并聯在一起的二極管，三個橋臂各具有上橋功率開關器件(開關管)和下橋功率開關器件，以后為表述統一，將功率開關器件統一稱為開關管，總共六個開關管組成三個橋臂，電流檢測電路包括三個上橋電流檢測電路和三個下橋電流檢測電路，三個上橋電流采樣電路分別設置在直流電源與上橋開關管的連接處。三個下橋電流檢測電路分別設置在下橋開關管與地線的連接處。二個上橋電流檢測電路和二個下橋電流檢測電路都可以是串連在這里的檢測電阻，如圖4所示，上橋電流檢測電路通過測量檢測電阻上的電壓降就可以獲得電流，如圖4所示，通過從檢測電阻與上橋開關管之間連線上引出的導線PS1、PS2、PS3，導線PS1、PS2、PS3上的電壓就能表示流過三個上橋開關管的電流，這個電壓越大說明流過檢測電阻的電流越小，如果這個電壓小于規定的電壓，則就會認為是過流了，同時，從檢測電阻與下開關管連接處引出的導線NS1、NS2、NS3的電壓也可以表示流經三個下橋開關管的電流，如果這個電壓較大，則流過檢測電阻上的電流較大，由于檢測電阻與下橋開關管是串連的，因此，說明流經下橋開關管的電流也較大，當導線NS1、NS2、NS3中任何一個點的電壓大于規定的值時，可能流經下橋相應的開關管的電流就過大了。
[0024]如圖4所示，開關工作時，如果采樣電阻直接放在功率開關MOS的一邊，即電機工作時電機的電流直接流過采樣電阻，則流過采樣電阻的電流將消耗掉電機運行時的一部分功率，造成功率變低，如:假設采樣電阻的壓降為0.5V，電機電流是1A，流過采樣電阻的電流同樣的為IA，則，采樣電阻消耗的功率為:P = 0.5V* IA = 0.5W，正常工作時電流至少會流過2個采樣電阻，即至少消耗0.51*2 = 11的功耗。
[0025]圖4電路采用MOS鏡像采樣的方式，采樣流過功率開關管的電流，鏡像采樣MOS的尺寸僅是功率開關MOS的1/N，N是一個比較大的值，這里假設N=1000，則流過鏡像采樣MOS的電流是流過電機電流的I /1000。假設電機電流是IA，則流過鏡像采樣MOS的電流是IA* (I /1000) = lmA，同樣的流過采樣電阻的電流為1mA，假設采樣電阻的壓降為0.5V，則采樣電阻消耗的功率為:P = 0.5V*lmA = 0.5mW，正常工作時電流至少會流過2個采樣電阻，即至少消耗0.5mW*2 = ImW的功耗;采用圖4的電流采樣方式，損失的功耗遠遠小與直接在功率開關MOS上加采樣電阻的方式。
[0026]至于怎樣判斷電流是否過大，如圖5所示，是一種判斷上橋開關管過流判斷電路，如圖5所示，PS1、PS2、PS3接入到判斷電路，將PS1、PS2、PS3的電壓與基準電壓比較，這里基準電壓是與開關管耐流相適應的，分別輸出數字邏輯信號POl、P02、P03，其中輸入的電壓小于基準電壓輸出就是低電平，否則輸出就是高電平。
[0027]由于需要對6路采樣電阻的電壓進行比較，如果按照正常的電路需要6個比較器，而且需要單獨產生兩個比較參考電壓對采樣電壓進行比較，這樣電路結構比較復雜，而且用的MOS管比較多，占的面積會比較大，采用圖5、6的結構，不需要單獨產生參考電壓而且用的MOS管比較少，大大節省了芯片面積。
[0028]如圖5所示，因為N1\N2\N3\N4的柵源電壓相同，為鏡像結構，而同時P1\P2\P3\P4的柵端電壓相同。正常工作時，假如PS1(PS2\P3)電壓等于A點電壓，則流過N1\N2\N3\N4及P1\P2\P3\P4的電流完全相同，但PS1(PS2\PS3)電壓不可能完全等于A點電壓。
[0029]當PS1(PS2\PS3)比A電壓點高時(根據圖4分析，流過采樣電阻的電流比較小，即流過電機的電流比較小)，P1(P2\P3)的柵源電壓差比P4的柵源電壓差大，P01(P02\P03)，輸出為高電平。
[0030]當PSl(PS2\PD3)比A電壓點低時(根據圖4分析，流過采樣電阻的電流比較大，即流過電機的電流比較大)，P1(P2\P3)的柵源電壓差比P4的柵源電壓差小，P01(P02\P03)，輸出為低電平。
[0031]通過以上分析可知，圖5的電路能夠實現電壓比較功能，而且用的MOS管個數比較少。
[0032]如圖6所示是下橋功率管過流判斷電路，同樣，輸入的是NS1、NS2、NS3，與另外一個基準電壓相比較，生成數字邏輯信號勵1、勵2、勵3，如果略1、略2、略3中有任——個電壓低于基準電壓，則相應的數字邏輯信號NO 1、N02、N03有效。
[0033]如圖6所示，同圖5原理類似的，因為P5\P6\P7\P8的柵源電壓相同，為鏡像結構，而同時N5\N6\N7\N8的柵端電壓相同。正常工作時，假如NSl (NS2\N3)電壓等于B點電壓，則流過N5\N6\N7\N8及P5\P6\P7\P8的電流完全相同，但NS1(NS2\NS3)電壓不可能完全等于B點電壓。
[0034]當NSI (NS2 \NS3)比B電壓點低時(根據圖4分析，流過采樣電阻的電流比較小，即流過電機的電流比較小)，N6(N7\N8)的柵源電壓差比N5的柵源電壓差大，N01(N02\N03)，輸出為低電平。
[0035 ]當NS I (NS2 \NS3)比B電壓點高時(根據圖4分析，流過采樣電阻的電流比較大，即流過電機的電流比較大)，N6(N7\N8)的柵源電壓差比N5的柵源電壓差小，N01(N02\N03)，輸出為高電平。
[0036]通過以上分析可知，圖6的電路能夠實現電壓比較功能，而且用的MOS管個數比較少。
[0037]如圖5，圖6分析，當流經功率開關MOS的任意一端過流時，POl (P02\P03)輸出為低電平或N01(N02\N03)輸出為高電平。
[0038]如圖7是過流保護電路，數字邏輯信號？01、？02、？03、勵1、^)2、勵3作為輸入，如果有一個是有效的，表示有一個功率管過流了，則輸出0CP—O有效，電流保護模塊輸出低電平給驅動電路，驅動電路關掉功率管，從而保護功率管不會被燒壞。
[0039]如圖7所示，當P01、P02、P03任意一個為低電平或N01、N02、N03任意一個為高電平時，00?_0輸出低電平，0CP_0為低電平時功率開關MOS全部關閉，進入過流保護模式。
[0040]下面對本實施例進行分析:如圖8所示，當電機正常運行時T2，T4導通，電流由MOTV流過MOTU，當HALL出現故障或電機位置計算錯誤時，輸出功率管出現如圖9情況，功率管Τ4導通，Τ2斷開，由于反向電動勢的影響，流經Τ4的電流急劇增加，由于電機電感反向續流的原因，會有很大反向電流通過反向二極管D5，但Τ4有單獨的的電流采樣電路，流過Τ4的正向電流和流經D5的反向電流不會出現相互抵消的情況，當電流大時，電流采樣電路輸出采樣電壓信號給過流判斷模塊，過流判斷模塊輸出信號給電流保護模塊，電流保護模塊輸出低電平給驅動電路，驅動電路關掉功率管，從而保護功率管不會被燒壞。
[0041]以上所述，僅為本實用新型較佳的【具體實施方式】，但本實用新型的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本實用新型揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內。因此，本實用新型的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。
【主權項】
1.一種無刷直流電機過流保護電路，無刷直流電機的驅動器逆變橋具有由功率開關器件組成的橋臂U、橋臂V和橋臂W，控制器控制功率開關器件的閉合與截斷實現直流電機向外輸出力矩，過流保護電路包括電流采樣電路，所述的電流采樣電路輸出接所述的控制器;其特征在于:所述的電流采樣電路的采樣點分別設置在橋臂U、橋臂V和橋臂W的上橋功率開關器件與直流電源的連接處和下橋功率開關器件與地之間。2.根據權利要求1所述的直流電機過流保護電路，其特征在于:所述電流采樣電路包括檢測電阻，所述的檢測電阻分別串連在上橋功率開關器件與直流電源的連接之間和下橋功率開關器件與地之間，所述電流檢測電路的檢測信號線分別由檢測電阻與上橋功率開關器件的連接線上引出和下橋功率開關器件與檢測電阻連接線上引出。3.根據權利要求2所述的直流電機過流保護電路，其特征在于:所述的控制器中包括過流判斷電路，所述的過流判斷電路包括上橋功率開關器件過流判斷電路和下橋功率開關器件過流判斷電路； 所述的上橋功率開關器件過流判斷電路包括對檢測電阻與上橋功率開關器件的連接線上電壓與第一基準電壓進行比較的第一比較電路;檢測電阻與上橋功率開關器件的連接線上電壓低于第一基準電壓時，第一比較電路輸出過流有效信號； 所述的下橋功率開關器件過流判斷電路包括對下橋功率開關器件與檢測電阻連接線上電壓與第二基準電壓進行比較的第二比較電路;下橋功率開關器件與檢測電阻的連接線上電壓高于第二基準電壓時，第二比較電路輸出過流有效信號。4.根據權利要求2所述的直流電機過流保護電路，其特征在于:所述的控制器中包括過流保護電路，所述的過流保護電路為一六輸入的邏輯“或”門電路，所述的邏輯“或”門電路的六個輸入信號分別與過流判斷電路相連，所述的邏輯“或”門電路有效則輸出低電平接驅動電路。
【文檔編號】H02H7/085GK205509475SQ201521141753
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2015年12月31日
【發明人】陳思軍, 李坤, 張文婕, 畢磊, 畢超
【申請人】峰岹科技（深圳）有限公司