一种无刷直流电机过流保护电路的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种无刷直流电机过流保护电路，无刷直流电机的驱动器逆变桥具有由功率开关器件组成的桥臂U、桥臂V和桥臂W，控制器控制功率开关器件的闭合与截断实现直流电机向外输出力矩，过流保护电路包括电流采样电路，所述的电流采样电路输出接所述的控制器；所述的电流采样电路的采样点分别设置在桥臂U、桥臂V和桥臂W的上桥功率开关器件与直流电源的连接处和下桥功率开关器件与地之间。本实用新型通过对输入到任何一个功率开关管的电流进行检测当任何一个功率开关管的电流过大时，采取有力措施保护功率开关管。
【专利说明】
一种无刷直流电机过流保护电路
技术领域
[0001]本实用新型涉及对无刷电机进行过流保护的领域，特别涉及一种在电机开关控制信号故障时对直流无刷电机进行过流保护的电路。
【背景技术】
[0002]无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器HALL传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成如图1、图2所示，它是一种H型逆变桥，逆变桥的三个桥臂U、V、W分别对应三相的定子绕组的U相、V相、W相，其中每个桥臂由两个开关功率器件组成，开关功率器件Tl、T4组成桥臂U，开关功率器件T2、T5组成桥臂V，开关功率器件T3、T6组成桥臂W，本领域技术人员知道，桥臂是不能直通的，就是说Tl和T4、T2和T5以及T3和T6是不能同时导通的。为了描述直观易懂，在以后的描述中开关功率器件由开关T和二极管D代替。因此，控制器通过控制这些开关的导通与截断实现对直流无刷电机的工作控制。另夕卜，控制器接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率开关器件的通断，产生连续转矩;接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速;提供保护和显示等等。
[0003]目前无刷直流电机过流保护电路基本都是采样流经电源，或流经地的电流如图1和图2所示，它是检测总的电流，也就是流过三相绕组的电流总和，通过这个电流大小判断功率管的电流是否过流，然而由于电机运行时有反向电动势的存在，电机运行时如果出现位置的计算错误，如HALL输入信号出现故障，功率管的控制信号有可能出现误信号，使得电机一端的输出电流急剧增大。而同时由于电机运行时本来就有比较大的电流，电机的另外一端会出现反向续流。这就造成反向电动势产生的正向电流和电机电感的反向续流在电流采样电路上相互抵消，通用的采样电路可能检测不到突然增大的电流，保护电路无法对流过功率管的过流就行保护，进而烧坏功率管的情况。
[0004]具体的如图1和图2所示，该两个电路目前无刷电机过流保护进行过流检测的电路，如果通过电流采样获知超过了限定的电流，则通过控制器截断所有加入到绕组的电压，对无刷直流电机进行有效的保护。如图1所示，当电机正常运行时Τ2，Τ4导通，电流由MOTV流过M0TU，当HALL出现故障或电机位置计算错误时，输出功率管可能出现如图2所示的情况，功率管Τ4导通，Τ2断开，由于反向电动势的影响，流经Τ4的电流可能会急剧增加，同时由于电机电感反向续流的原因，会有很大反向电流流通反向二极管D5，由于D5反向续流的影响，流过Τ4的正向电流和流经D5的反向电流相互抵消，电流将不会流经采样电路，从而检测不到电流的大小，保护电路无法判断电流是否过大，从而造成功率管烧坏。
【实用新型内容】
[0005]本实用新型的目的在于克服上述问题，提供一种无刷直流电机过流保护电路，该电路通过同时采样流经6个功率管的电流，判断是否有功率管出现大的电流情况，同时输出控制信号给过流保护模块，让过流保护模块输出信号给驱动电路，当出现过流时驱动电路关掉功率管，进而达到过流保护的功能。
[0006]本实用新型为了实现其技术目的所采用的技术方案如下:一种无刷直流电机过流保护电路，无刷直流电机的驱动器逆变桥具有由功率开关器件组成的桥臂U、桥臂V和桥臂W，控制器控制功率开关器件的闭合与截断实现直流电机向外输出力矩，过流保护电路包括电流采样电路，所述的电流采样电路输出接所述的控制器;所述的电流采样电路的采样点分别设置在桥臂U、桥臂V和桥臂W的上桥功率开关器件与直流电源的连接处和下桥功率开关器件与地之间。
[0007]本实用新型通过对输入到任何一个功率开关管的电流进行检测当任何一个功率开关管的电流过大时，采取有力措施保护功率开关管。
[0008]进一步的，上述的直流电机过流保护电路中:所述电流检测电路包括检测电阻，所述的检测电路分别串连在上桥功率开关器件与直流电源的连接之间和下桥功率开关器件与地之间，所述电流检测电路的检测信号线分别由检测电阻与上桥功率开关器件的连接线上引出和下桥功率开关器件与检测电阻连接线上引出。
[0009]进一步的，上述的直流电机过流保护电路中:所述的控制器中包括过流判断电路，所述的过流判断电路包括上桥功率开关器件过流判断电路和下桥功率开关器件过流判断电路；
[0010]所述的上桥功率开关器件过流判断电路包括对检测电阻与上桥功率开关器件的连接线上电压与第一基准电压进行比较的第一比较电路;检测电阻与上桥功率开关器件的连接线上电压低于第一基准电压时，第一比较电路输出过流有效信号；
[0011]所述的下桥功率开关器件过流判断电路包括对下桥功率开关器件与检测电阻连接线上电压与第二基准电压进行比较的第二比较电路;下桥功率开关器件与检测电阻的连接线上电压高于第二基准电压时，第二比较电路输出过流有效信号。
[0012]进一步的，上述的直流电机过流保护电路中:所述的控制器中包括过流保护电路，所述的过流保护电路为一六输入的逻辑“或”门电路，所述的逻辑“或”门电路的六个输入信号分别与过流判断电路相连，所述的逻辑“或”门电路有效则输出低电平接驱动电路。
【附图说明】
[0013]图1为目前无刷直流电机过流保护电路电机运行时电流流经方向简图。
[0014]图2为目前过流保护电路电机输出错误时电流流经方向简图。
[0015]图3是本实用新型无刷直流电机过流保护电路原理图。
[0016]图4是本实用新型实施例1中功率开关器件和电流采样电路原理图。
[0017]图5是本实用新型实施例1中上桥功率开关器件过流判断电路原理图。
[0018]图6是本实用新型实施例1中下桥功率开关器件过流判断电路原理图。
[0019]图7是本实用新型实施例1中6输入过流保护逻辑电路原理图。
[0020]图8是本实用新型实施例1中电机运行时电流电经方向图。
[0021]图9是本实用新型实施例1中电机输出错误时电流电经方向图。
【具体实施方式】
[0022]为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0023]实施例1，本实施例是一种对无刷直流电机进行过流保护的电路，与目前所有的无刷直流电机过流保护电路不同的地方是，本实施例中对每个桥臂功率开关器件都进行电流检测，在实践中检测输入到每个功率开关器件中的电路，如果有任何一个功率开关管输入的电流超过规定的限定，则立即通过驱动电路切断功率开关器件保护电机，如图3所示，在功率开关器件组成的桥臂U、桥臂V和桥臂W中，这些功率开关器件可以简化为一个开关与并联在一起的二极管，三个桥臂各具有上桥功率开关器件(开关管)和下桥功率开关器件，以后为表述统一，将功率开关器件统一称为开关管，总共六个开关管组成三个桥臂，电流检测电路包括三个上桥电流检测电路和三个下桥电流检测电路，三个上桥电流采样电路分别设置在直流电源与上桥开关管的连接处。三个下桥电流检测电路分别设置在下桥开关管与地线的连接处。二个上桥电流检测电路和二个下桥电流检测电路都可以是串连在这里的检测电阻，如图4所示，上桥电流检测电路通过测量检测电阻上的电压降就可以获得电流，如图4所示，通过从检测电阻与上桥开关管之间连线上引出的导线PS1、PS2、PS3，导线PS1、PS2、PS3上的电压就能表示流过三个上桥开关管的电流，这个电压越大说明流过检测电阻的电流越小，如果这个电压小于规定的电压，则就会认为是过流了，同时，从检测电阻与下开关管连接处引出的导线NS1、NS2、NS3的电压也可以表示流经三个下桥开关管的电流，如果这个电压较大，则流过检测电阻上的电流较大，由于检测电阻与下桥开关管是串连的，因此，说明流经下桥开关管的电流也较大，当导线NS1、NS2、NS3中任何一个点的电压大于规定的值时，可能流经下桥相应的开关管的电流就过大了。
[0024]如图4所示，开关工作时，如果采样电阻直接放在功率开关MOS的一边，即电机工作时电机的电流直接流过采样电阻，则流过采样电阻的电流将消耗掉电机运行时的一部分功率，造成功率变低，如:假设采样电阻的压降为0.5V，电机电流是1A，流过采样电阻的电流同样的为IA，则，采样电阻消耗的功率为:P = 0.5V* IA = 0.5W，正常工作时电流至少会流过2个采样电阻，即至少消耗0.51*2 = 11的功耗。
[0025]图4电路采用MOS镜像采样的方式，采样流过功率开关管的电流，镜像采样MOS的尺寸仅是功率开关MOS的1/N，N是一个比较大的值，这里假设N=1000，则流过镜像采样MOS的电流是流过电机电流的I /1000。假设电机电流是IA，则流过镜像采样MOS的电流是IA* (I /1000) = lmA，同样的流过采样电阻的电流为1mA，假设采样电阻的压降为0.5V，则采样电阻消耗的功率为:P = 0.5V*lmA = 0.5mW，正常工作时电流至少会流过2个采样电阻，即至少消耗0.5mW*2 = ImW的功耗;采用图4的电流采样方式，损失的功耗远远小与直接在功率开关MOS上加采样电阻的方式。
[0026]至于怎样判断电流是否过大，如图5所示，是一种判断上桥开关管过流判断电路，如图5所示，PS1、PS2、PS3接入到判断电路，将PS1、PS2、PS3的电压与基准电压比较，这里基准电压是与开关管耐流相适应的，分别输出数字逻辑信号POl、P02、P03，其中输入的电压小于基准电压输出就是低电平，否则输出就是高电平。
[0027]由于需要对6路采样电阻的电压进行比较，如果按照正常的电路需要6个比较器，而且需要单独产生两个比较参考电压对采样电压进行比较，这样电路结构比较复杂，而且用的MOS管比较多，占的面积会比较大，采用图5、6的结构，不需要单独产生参考电压而且用的MOS管比较少，大大节省了芯片面积。
[0028]如图5所示，因为N1\N2\N3\N4的栅源电压相同，为镜像结构，而同时P1\P2\P3\P4的栅端电压相同。正常工作时，假如PS1(PS2\P3)电压等于A点电压，则流过N1\N2\N3\N4及P1\P2\P3\P4的电流完全相同，但PS1(PS2\PS3)电压不可能完全等于A点电压。
[0029]当PS1(PS2\PS3)比A电压点高时(根据图4分析，流过采样电阻的电流比较小，即流过电机的电流比较小)，P1(P2\P3)的栅源电压差比P4的栅源电压差大，P01(P02\P03)，输出为高电平。
[0030]当PSl(PS2\PD3)比A电压点低时(根据图4分析，流过采样电阻的电流比较大，即流过电机的电流比较大)，P1(P2\P3)的栅源电压差比P4的栅源电压差小，P01(P02\P03)，输出为低电平。
[0031]通过以上分析可知，图5的电路能够实现电压比较功能，而且用的MOS管个数比较少。
[0032]如图6所示是下桥功率管过流判断电路，同样，输入的是NS1、NS2、NS3，与另外一个基准电压相比较，生成数字逻辑信号勵1、勵2、勵3，如果略1、略2、略3中有任——个电压低于基准电压，则相应的数字逻辑信号NO 1、N02、N03有效。
[0033]如图6所示，同图5原理类似的，因为P5\P6\P7\P8的栅源电压相同，为镜像结构，而同时N5\N6\N7\N8的栅端电压相同。正常工作时，假如NSl (NS2\N3)电压等于B点电压，则流过N5\N6\N7\N8及P5\P6\P7\P8的电流完全相同，但NS1(NS2\NS3)电压不可能完全等于B点电压。
[0034]当NSI (NS2 \NS3)比B电压点低时(根据图4分析，流过采样电阻的电流比较小，即流过电机的电流比较小)，N6(N7\N8)的栅源电压差比N5的栅源电压差大，N01(N02\N03)，输出为低电平。
[0035 ]当NS I (NS2 \NS3)比B电压点高时(根据图4分析，流过采样电阻的电流比较大，即流过电机的电流比较大)，N6(N7\N8)的栅源电压差比N5的栅源电压差小，N01(N02\N03)，输出为高电平。
[0036]通过以上分析可知，图6的电路能够实现电压比较功能，而且用的MOS管个数比较少。
[0037]如图5，图6分析，当流经功率开关MOS的任意一端过流时，POl (P02\P03)输出为低电平或N01(N02\N03)输出为高电平。
[0038]如图7是过流保护电路，数字逻辑信号？01、？02、？03、勵1、^)2、勵3作为输入，如果有一个是有效的，表示有一个功率管过流了，则输出0CP—O有效，电流保护模块输出低电平给驱动电路，驱动电路关掉功率管，从而保护功率管不会被烧坏。
[0039]如图7所示，当P01、P02、P03任意一个为低电平或N01、N02、N03任意一个为高电平时，00?_0输出低电平，0CP_0为低电平时功率开关MOS全部关闭，进入过流保护模式。
[0040]下面对本实施例进行分析:如图8所示，当电机正常运行时T2，T4导通，电流由MOTV流过MOTU，当HALL出现故障或电机位置计算错误时，输出功率管出现如图9情况，功率管Τ4导通，Τ2断开，由于反向电动势的影响，流经Τ4的电流急剧增加，由于电机电感反向续流的原因，会有很大反向电流通过反向二极管D5，但Τ4有单独的的电流采样电路，流过Τ4的正向电流和流经D5的反向电流不会出现相互抵消的情况，当电流大时，电流采样电路输出采样电压信号给过流判断模块，过流判断模块输出信号给电流保护模块，电流保护模块输出低电平给驱动电路，驱动电路关掉功率管，从而保护功率管不会被烧坏。
[0041]以上所述，仅为本实用新型较佳的【具体实施方式】，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
【主权项】
1.一种无刷直流电机过流保护电路，无刷直流电机的驱动器逆变桥具有由功率开关器件组成的桥臂U、桥臂V和桥臂W，控制器控制功率开关器件的闭合与截断实现直流电机向外输出力矩，过流保护电路包括电流采样电路，所述的电流采样电路输出接所述的控制器;其特征在于:所述的电流采样电路的采样点分别设置在桥臂U、桥臂V和桥臂W的上桥功率开关器件与直流电源的连接处和下桥功率开关器件与地之间。2.根据权利要求1所述的直流电机过流保护电路，其特征在于:所述电流采样电路包括检测电阻，所述的检测电阻分别串连在上桥功率开关器件与直流电源的连接之间和下桥功率开关器件与地之间，所述电流检测电路的检测信号线分别由检测电阻与上桥功率开关器件的连接线上引出和下桥功率开关器件与检测电阻连接线上引出。3.根据权利要求2所述的直流电机过流保护电路，其特征在于:所述的控制器中包括过流判断电路，所述的过流判断电路包括上桥功率开关器件过流判断电路和下桥功率开关器件过流判断电路； 所述的上桥功率开关器件过流判断电路包括对检测电阻与上桥功率开关器件的连接线上电压与第一基准电压进行比较的第一比较电路;检测电阻与上桥功率开关器件的连接线上电压低于第一基准电压时，第一比较电路输出过流有效信号； 所述的下桥功率开关器件过流判断电路包括对下桥功率开关器件与检测电阻连接线上电压与第二基准电压进行比较的第二比较电路;下桥功率开关器件与检测电阻的连接线上电压高于第二基准电压时，第二比较电路输出过流有效信号。4.根据权利要求2所述的直流电机过流保护电路，其特征在于:所述的控制器中包括过流保护电路，所述的过流保护电路为一六输入的逻辑“或”门电路，所述的逻辑“或”门电路的六个输入信号分别与过流判断电路相连，所述的逻辑“或”门电路有效则输出低电平接驱动电路。
【文档编号】H02H7/085GK205509475SQ201521141753
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2015年12月31日
【发明人】陈思军, 李坤, 张文婕, 毕磊, 毕超
【申请人】峰岹科技（深圳）有限公司