一种无刷直流电机快速堵转保护电路模块的制作方法

文档序号:11708379阅读:730来源:国知局
一种无刷直流电机快速堵转保护电路模块的制作方法与工艺

本实用新型涉及一种电机堵转保护电路模块,尤其涉及一种无刷直流电机快速堵转保护电路模块。



背景技术:

无刷直流电机是指无电刷和换向器(或集电环)并采用直流电源驱动的电机,一般由电动机主体和内部集成驱动器组成,是一种典型的机电一体化产品,其具有传统直流电机的优点,同时又取消了碳刷、滑环结构,不产生火花,工作可靠,寿命长,被广泛应用于汽车、工具、工业控制以及航空航天等领域,在自动门窗控制上也发挥出较大优势。

但是,无刷直流电机应用于自动门窗及相关控制领域时,当机械装置运动到限位或运行中遇到障碍物而堵转时,如不及时、迅速地闭锁电机并撤销输出转矩,则不仅会造成电机及机械装置的损坏,而且可能会对使用者造成人身伤害,如身体挤压、夹伤等。一般的机械限位保护装置采用了机械式接近开关,但接近开关工作寿命有限,启动速度慢,且不能保护机械装置运行途中的堵转;而且经本实用新型设计者试验,一般的电子保护装置(包括电机内部集成驱动器的过流保护电路)难以实现对自动门窗控制用无刷直流电机的快速堵转保护,无法满足安全性、可靠性要求。

一般带内部集成驱动器的无刷直流电机由5根引线进行控制,分别是电源线V+(红色)、地线GND(黑色)、方向控制线CW/CCW(黄色,高电平正转,低电平反转)、控制调速线PWM(高电平禁止、低电平使能)、测速脉冲信号线PUSLE(绿色)。已有的一些有刷直流电机电子保护装置采用了过流触发保护,断开电源,反向通电解锁保护的模式,而从无刷直流电机的控制引线的构成和控制方式上可见,无刷直流电机电源线V+和地线GND不能反向通电,所以该模式无法适用于无刷直流电机保护,而本实用新型考虑采用的模式是过流触发保护,方向控制线CW/CCW翻转解锁保护的保护模式。



技术实现要素:

本实用新型解决的技术问题是提供一种无刷直流电机快速堵转保护电路模块,如图1所示,将该电路模块接入控制器和无刷直流电机之间,无刷直流电机在任何情况发生堵转时,均能以小于100μs的启动时间对电机进行快速保护,撤销输出转矩,闭锁电机,直至方向控制信号发生翻转时解锁电机,从而提高自动门窗等机械装置的运行安全性。

为了解决所述技术问题,该电路模块由模拟及数字电路实现堵转电流检测、保护动作、保护解锁功能,如图2所示,具体包含电流取样、信号放大、阈值设置及比较、RS触发器、保护闭锁、保护解锁六部分,其中,保护解锁部分又由单稳态触发器、上电复位电路、与非门逻辑电路构成。系统连接及信号流向关系为:该电路模块接在控制器和无刷直流电机之间,电流取样元件接在无刷直流电路直流供电回路中,电流取样信号接入信号放大器,放大器输出电压接入比较器并与保护阈值电压进行比较,比较器输出信号接入RS触发器S端,RS触发器Q端输出信号接入保护闭锁电路,由保护闭锁电路进行电机保护闭锁;而无刷直流换向控制信号CW/CCW接入保护解锁电路,保护解锁电路产生的解锁触发信号接至RS触发器的R端,控制RS触发器Q端发生翻转,解除保护闭锁状态。

如图2所示,该电路模块通过接在直流无刷电机电源回路的电阻对电机驱动电流进行取样,并经过模拟信号放大及比较器,与保护阈值电压比较后产生保护触发信号,保护触发信号被接至RS触发器S端,由于RS触发器的记忆功能,可维持保护闭锁状态,另有保护解锁信号接至RS触发器R端。保护电路模块的具体工作原理和过程是:

a、系统上电复位后,RS触发器Q端处于0状态,电机正常工作;

b、而当电机堵转后,其电流迅速升高,经由电流取样及放大后的信号与保护阈值进行比较后输出高电平将RS触发器Q端置1,无刷电机PWM信号被闭锁,输出转矩被撤销,迅速达到堵转保护,并且由于RS触发器的记忆功能,可维持保护闭锁状态。

如图2所示,该方法的保护解锁逻辑电路将控制器输出的换向CW/CCW信号经单稳态触发器作用后产生解锁触发脉冲,并与上电复位信号与非后输出解锁信号到RS触发器S端,解锁电路的具体工作原理及过程是:

a、当换向信号CW/CCW保持不变时,即使电机堵转电流消失(变为0),但由于RS触发器的状态保持特性,无刷直流电机PWM信号仍保持闭锁状态;

b、而当换向信号CW/CCW发生翻转式时,由单稳态触发器产生一定宽度(约20ms)复位脉冲,复位脉冲被接至RS触发器的R端,并将RS触发器置0,使得保护解锁,电机处于正常工作状态。

根据以上保护闭锁和解锁原理及过程可见,采用该无刷直流电机快速堵转保护模块,无刷直流电机在任何情况发生堵转时,均能对电机进行快速堵转保护,撤销输出转矩,闭锁电机,直至方向控制信号发生翻转时解锁电机,即当电机前向运行发生堵转时,可以快速被保护并保持闭锁状态(此时控制器如发出同向运行指令是无效的),而控制器发出反向运行指令时可及时解锁电机,使其恢复正常运行。

优选的是,所述无刷直流电机快速堵转保护电路模块中的阈值比较器、单稳态触发器、RS触发器、与非门及保护闭锁电路均采用TTL或CMOS硬件电路实现,电平翻转速度快,保护启动时间短(小于100μs)。

优选的是,所述无刷直流电机快速堵转保护方法及电路,其堵转电流保护的启动阈值按躲过电机最大启动电流进行整定。

本实用新型至少包括以下有益效果:

(1)对无刷直流电机在任何情况发生的堵转情况,均能快速启动保护,撤销输出转矩,闭锁电机,启动时间可在100μs以内,从而提高自动门窗等机械装置的运行安全性。

(2)采用纯模拟及数字逻辑电路实现堵转电流的采样、信号放大、闭锁逻辑及解锁逻辑,无需采用CPU及计算机程序实现相关功能,结构简单,成本低廉。

(3)保护动作后,由于RS触发器具有状态保持功能,即使电流降为0,电机仍保持闭锁,不会重复发生同向运行堵转现象,保护可靠,但反向运行即可及时直接解锁保护,使用方便。

(4)保护动作启动电流阈值可以通过电位器调整,方便进行动作阈值的整定。

本实用新型的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现,部分还将通过对本实用新型的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本实用新型所述的无刷直流电机保护模块的接入电机控制系统的接线方法示意图。

图2为本实用新型所述的无刷直流电机保护电路模块的实现原理框图。

图3中(a)为本实用新型的接线端子及系统电源变换原理图,(b)为堵转电流采集及阈值比较电路原理图,(c)为本实用新型闭锁及解锁逻辑实施的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明,以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解,本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

本实用新型公开一种适用于无刷直流电机快速堵转保护电路模块。该电路模块采用纯模拟及数字电路组成,其由电流取样、信号放大、阈值设置及比较、RS触发器、保护闭锁、保护解锁部分组成,其中,保护解锁部分又由单稳态触发器、上电复位电路、与非门数字逻辑电路构成。系统连接及信号流向关系为:该电路模块接在控制器和无刷直流电机之间,电流取样元件接在无刷直流电路直流供电回路中,电流取样信号接入信号放大器,放大器输出电压接入比较器并与保护阈值电压进行比较,比较器输出信号接入RS触发器S端,RS触发器Q端输出信号接入保护闭锁电路,由保护闭锁电路进行电机保护闭锁;而无刷直流换向控制信号CW/CCW接入保护解锁电路,保护解锁电路产生的解锁触发信号接至RS触发器的R端,控制RS触发器Q端发生翻转,解除保护闭锁状态。

c、该保护电路模块工作原理是:通过接在直流无刷电机电源回路的电阻对电机驱动电流进行取样,并经过模拟信号放大及比较器,与保护阈值电压比较后产生保护触发信号,保护触发信号接至RS触发器的S端,保护解锁信号接至RS触发器R端。系统上电复位后,RS触发器Q端处于0状态,电机正常工作;而当电机堵转后,其电流迅速升高,经由电流取样及信号放大后的信号与保护阈值进行比较后输出高电平将RS触发器Q端置1,无刷电机PWM信号被闭锁,输出转矩被撤销,迅速达到堵转保护,且由于RS触发器的记忆功能,可维持保护闭锁状态;当换向信号保持不变时,即便电机堵转电流消失(变为0),但由于RS触发器的状态保持特性,无刷直流电机PWM信号仍保持闭锁状态;而当换向信号CW/CCW发生翻转式时,由单稳态触发器产生一定宽度(约20ms)复位脉冲,复位脉冲被接至RS触发器的R端,并将RS触发器置0,使得保护解锁,电机处于正常工作状态。当换向信号发生翻转式时,由单稳态触发器产生复位脉冲,并将RS触发器置0,使得保护及时解锁,电机处于正常工作状态。

如图3中(a)、图3中(b)及图3中(c)所示为一种无刷直流电机快速堵转保护的电路模块的实例,即具体实施电路。该实例电路是一个对用于自动门窗控制的无刷直流电机实施快速保护的电路模块。

图3中(a)所示为一个由电源管理芯片TD1591、若干电阻、电容、二极管等器件构成的小功率BUCK型开关电源,用于将输入的无刷直流电机驱动电源V+降压变换成本电路模块中模拟及数字电路工作所需要的直流电源VCC。

所述电流取样由图3中(b)中的1Ω电阻R6实现,其串联在电源输入网络V+和输出到电机的电源网络VM之间,当电机运行时电流流过R6,电流大小被转换成电压信号。

所述信号放大功能由图3中(b)中的U4即集成电流检测放大器芯片INA282实现,该放大器将输入到8端(+IN)和1端(-IN)之间的差动电压放大50倍后从5端(OUT)输出。

所述阈值设置及比较由图3中(b)中的10kΩ电位器R7及电压比较器U5A即LM393构成,通过调整电位器R7将保护动作阈值电压输入到LM393的2端(N端),而检测电压输入到LM393的3端(P端),当发生堵转过流时,检测电压高于阈值电压即UP>UN,LM393的1端(OUT端)由低电平变为高电平,且该电平通过CURRENT_DETECT网络输出至RS触发器的S端。

所述RS触发器由图3中(c)中的两个或非门74LS02单元构成,即U3B和U3C,集成四或非门芯片U3的5脚为RS触发器的R端,U3的9脚为RS触发器的S端,U3的6脚和10脚相连作为RS触发器的输出端,U3的8脚和4脚相连作为RS触发器的输出Q端。U3的9脚(S端)输入为高时,Q端被置高,并保持高电平状态;U3的5脚(R端)输入为高时,Q端被置低,并保持低电平。

如图3中(c)所示,所述保护闭锁电路由一个或非门74LS02单元U3D、电阻R4及R5、NPN型三极管Q1(9013)构成,RS触发器Q端输出高电平至U3D的12脚时,其输出端13脚被强制置为低电平,三极管Q1不导通,PWM_OUT输出为高电平,电机运行被禁止,U3D的12脚输入低电平时,其13脚的输出由11脚的输入信号PWM_IN决定,PWM_OUT输出与调速控制信号PWM_IN波形一致,电机正常运行并按PWM_IN信号的占空比进行调速。

如图3中(c)所示,所述保护解锁逻辑部分的单稳态触发器由集成双单稳态触发器芯片74LS123的两个单元(U2A和U2B)、一个与非门单元U1A(74LS00)、一个或非门单元U3A(74LS02)及两个5.1kΩ电阻R1和R2、两个10μF电容C1和C2构成。输入的方向控制信号CW/CCW被分成两路,一路信号经过与非门单元U1A构成的反相器(其1脚和2脚并联)后再输入到单稳态触发器U2的1脚作为一个单稳态触发单元的触发信号源,另一路信号直接输入到单稳态触发器U2的9脚作为另一个单稳态触发单元的触发信号源,R1、C1及R2、C2分别组成RC充放电网络并分别接入到两个单稳态触发器的6、7、14、15脚以及电源VCC间,为两个单稳态触发单元提供延时,决定输出单稳态触发脉冲的宽度约为20ms,由两个单稳态触发单元从各自的Q端(U2的13脚和5脚)输出的脉冲经一个或非门单元U3A(74LS02)作用后输出一个约20ms的低电平脉冲,用于后继电路产生RS触发器复位信号。该电路可以达到的效果是:当CW/CCW信号由高电平变为低电平时,单稳态触发单元U2B产生高电平脉冲,而当CW/CCW信号由低电平变为高电平时,单稳态触发单元U2A产生高电平脉冲,经过U3A(74LS02)或非后使得CW/CCW信号发生任意翻转都会在U3A(74LS02)输出端产生一个低电平脉冲。

如图3中(c)所示,所述上电复位电路由5.1kΩ电阻R3及10μF电容C3串联而成,所述电阻一端接至电源,电容一端接至地,串联点接至所述与非门74LS00(U1B)的4脚,与上述U3A(74LS02)输出端产生的低电平脉冲与非后输出信号至所述RS触发器的R端。R3和C3组成RC充放电网络,系统上电时,RC网络串联点产生约20ms低电平,经与非门作用后产生约20ms高电平复位脉冲,对RS触发器进行复位;正常情况下,RC网络串联点保持高电平,此时与非门74LS00(U1B)相当于一个反相器,将U3A(74LS02)输出端产生的低电平脉冲反相为高电平脉冲,施加到RS触发器R端,可用于电机保护解锁。

采用所述具体实施电路实现相应的堵转保护及保护解锁功能的工作过程如下:

a.系统上电后,与非门U1B产生约20ms高电平脉冲,RS触发器被复位,其输出Q端即U3B的4脚输出低电平,PWM调速信号可正常输出,电机可正常运行。

b.而当电机堵转后,其电流迅速升高,R6两端电压升高,经过U4的50放大后电压高于比较阈值,U5A的输出信号CURRENT_DETECT由低变高,RS触发器输出Q端即U3B的4脚输出高电平,U3D的13脚输出低电平,三极管Q1不导通,PWM_OUT保持高电平,电机被禁止,输出转矩被撤销,且由于RS触发器的记忆功能,可维持保护闭锁状态。

c.当换向信号CW/CCW保持不变时,虽然堵转电流变为0,U5A的输出信号CURRENT_DETECT为低,但由于RS触发器的保持特性,其输出Q端即U3B的4脚保持高电平,无刷电机PWM信号保持闭锁状态;

而当换向信号CW/CCW发生翻转式时(上升沿或下降沿),由单稳态触发器单元U2A或U2B产生约20ms高电平脉冲,U3A输出低电平脉冲,U1B输出高电平脉冲,将RS触发器置0,输出Q端即U3B的4脚输出低电平,PWM调速信号可正常输出,电机可正常运行,保护被解锁。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上,但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域。对于熟悉本领域的人员而言可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下,本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

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