一种直流电机换向电路及其控制方法与流程

[0001]
本发明涉及换向电路领域，尤其涉及一种直流电机换向电路及其控制方法。


背景技术：

[0002]
直流电机的换向：直流电机的换向当电枢元件随着电枢的旋转，依次从一条支路转移到另一支路时，各元件中的电流也就从一种流动方向改变为另一种流动方向。直流电机的换向当电枢元件随着电枢的旋转，依次从一条支路转移到另一支路时，各元件中的电流也就从一种流动方向改变为另一种流动方向。这种利用机械方法（换向器和电刷）使元件中电流变换方向的现象称为换向。换向过程总是与元件被电刷短路的过程相伴随的。
[0003]
在换向过程中，由于电流变化，换向元件中会产生自感电动势，俗称电抗电动势。当同槽中有多个元件同时换向时，电抗电动势还包括它们之间的互感电动势在内。这种电动势起阻止换向的作用。电抗电动势越大，换向越困难，甚至在电刷边上会产生火花。严重的火花有时发展成换向器环火而损坏换向器。
[0004]
改善换向的主要方法是在两个主磁极之间装置换向极，用以在换向元件中产生切割电动势来抵消电抗电动势。因为电抗电动势是随着电流增大而增大的，故换向极绕组需与电枢串联，使换向极磁场及其相应的切割电动势也能随电枢电流同步增大。换向极应接成与电枢电流产生的磁场极性相反。
[0005]
现有技术中，如果采用继电器直接对电机进行换向，在24v系统中继电器触点会因为感性负载非常容易损坏，且常规直流电机换向电路使用4个mos管，组成h桥实现，但是4个mos管的成本太高。


技术实现要素：

[0006]
本发明提供一种直流电机换向电路及其控制方法，用以解决现有技术中当采用继电器对电机进行换向时，在24v系统中继电器触点会因为感性负载而损坏的问题。
[0007]
本发明通过以下技术方案实现：一种直流电机换向电路，包括功率开关、第一继电器、第二继电器、第一电子开关、第二电子开关，所述功率开关的输入端用于连接直流电机的驱动电源，功率开关的输出端连接第一继电器的切换触点的常开触点、第二继电器的切换触点的常开触点，第一继电器的切换触点的常闭触点、第二继电器的切换触点的常闭触点接地，第一继电器的切换触点的定触点、第二继电器的切换触点的定触点用于连接直流电机的电枢两端，所述电机的电枢两端分别通过续流二极管d8、d10接地，所述第一电子开关的一端连接第一继电器的线圈l1的一端，第一继电器的线圈l1的另一端连接在控制电源与地之间，所述第二电子开关的一端连接第二继电器的线圈l2的一端，第二继电器的线圈l2的另一端连接在控制电源与地之间，所述功率开关电路、第一继电器、第二继电器均受控于控制单元，第一继电器的线圈l1、第二继电器的线圈l2分别设有续流二极管d8、d10。
[0008]
进一步的，所述功率开关包括智能电源开关bts6143d，所述智能电源开关
bts6143d的3脚为功率开关的输入端，智能电源开关bts6143d的1、5脚并联为功率开关的输出端，智能电源开关bts6143d的4脚通过电阻r68接地，智能电源开关bts6143d的1脚连接连接电阻r65的一端，电阻r65的另一端连接npn三极管q13的集电极，npn三极管q13的发射级接地，npn三极管q13的基极连接控制单元。
[0009]
进一步的，所述npn三极管q13的集电极连接二极管d13的阴极，npn三极管q13的发射极连接二极管d13和二极管d16的阳极所述二极管d13并联二极管d16。
[0010]
进一步的，所述智能电源开关bts6143d的4脚连接电阻r67的一端，电阻r67的另一端为电机电流采样输出口，电阻r67的另一端与地之间连接滤波电容c48。
[0011]
进一步的，所述智能电源开关bts6143d的1脚和5脚之间并联双向瞬态抑制二极管d17，智能电源开关bts6143d的1、5脚与地之间连接滤波电容c49。
[0012]
进一步的，所述控制电源通过二极管d25和短路保护电路连接第一继电器的线圈l1、第二继电器的线圈l2一端；所述短路保护电路为两个互相并联的电阻r60、r61。
[0013]
进一步的，所述第一电子开关为npn三极管q10，所述npn三极管q10基极连接控制单元，所述npn三极管q10集电极连接第一继电器的线圈l1，所述npn三极管q10发射集接地。
[0014]
进一步的，所述第二电子开关为npn三极管q12，所述npn三极管q12基极连接控制单元，所述npn三极管q12集电极连接第二继电器的线圈l2，所述npn三极管q12发射集接地。
[0015]
适用于上述任一项所述的直流电机换向电路的控制方法，包括换向方法，当电机启动，需要进行换向时，功率开关关闭，再通过50ms 延时后，关闭第一电子开关，并导通第二电子开关。
[0016]
进一步的，还包括启动方法，对任一电子开关进行导通，再通过50ms延时后，开启功率开关，启动电机。
[0017]
本发明的有益效果：（1） 本电路主要实现通过微控制完成直流电机的正转和反转切换。并且可以实现直流电机的工作电流采集，从而实现各种对直流电机的控制；（2） 本电路先吸合继电器，然后通过mos管开启电机，从而让继电器触点在不带负载时完成转换，保护继电器；（3） 本电路通过控制器进行控制，仅仅使用一个mos管，成本大大降低。
附图说明
[0018]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0019]
图1为本发明的电路原理图。
具体实施方式
[0020]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
[0021]
实施例1如图1，一种直流电机换向电路，包括功率开关、第一继电器、第二继电器、第一电子开关、第二电子开关，所述功率开关的输入端用于连接直流电机的驱动电源，功率开关的输出端连接第一继电器的切换触点的常开触点、第二继电器的切换触点的常开触点，第一继电器的切换触点的常闭触点、第二继电器的切换触点的常闭触点接地，第一继电器的切换触点的定触点、第二继电器的切换触点的定触点用于连接直流电机的电枢两端，所述电机的电枢两端分别通过续流二极管d8、d10接地，所述第一电子开关的一端连接第一继电器的线圈l1的一端，第一继电器的线圈l1的另一端连接在控制电源与地之间，所述第二电子开关的一端连接第二继电器的线圈l2的一端，第二继电器的线圈l2的另一端连接在控制电源与地之间，所述功率开关电路、第一继电器、第二继电器均受控于控制单元，所述第一电子开关另一端、第二电子开关另一端通过二极管d15、二极管d14连接。
[0022]
进一步的，所述功率开关包括智能电源开关bts6143d，所述智能电源开关bts6143d的3脚为功率开关的输入端，智能电源开关bts6143d的1、5脚并联为功率开关的输出端，智能电源开关bts6143d的4脚通过电阻r68接地，智能电源开关bts6143d的1脚连接连接电阻r65的一端，电阻r65的另一端连接npn三极管q13的集电极，npn三极管q13的发射级接地，npn三极管q13的基极连接控制单元。
[0023]
进一步的，所述npn三极管q13的集电极连接二极管d13的阴极，npn三极管q13的发射极连接二极管d13和二极管d16的阳极所述二极管d13并联二极管d16。
[0024]
进一步的，所述智能电源开关bts6143d的4脚连接电阻r67的一端，电阻r67的另一端为电机电流采样输出口，电阻r67的另一端与地之间连接滤波电容c48。
[0025]
进一步的，所述智能电源开关bts6143d的1脚和5脚之间并联双向瞬态抑制二极管d17，智能电源开关bts6143d的1、5脚与地之间连接滤波电容c49。
[0026]
进一步的，所述控制电源通过二极管d25和短路保护电路连接第一继电器的线圈l1、第二继电器的线圈l2一端；所述短路保护电路为两个互相并联的电阻r60、r61。
[0027]
进一步的，所述第一电子开关为npn三极管q10，所述npn三极管q10基极连接控制单元，所述npn三极管q10集电极连接第一继电器的线圈l1，所述npn三极管q10发射集接地。
[0028]
进一步的，所述第二电子开关为npn三极管q12，所述npn三极管q12基极连接控制单元，所述npn三极管q12集电极连接第二继电器的线圈l2，所述npn三极管q12发射集接地。
[0029]
其中，所述功率芯片开关bts6143d适用于汽车电子苛刻的工作环境，其工作的温度范围可从-40
°
c至+150
°
c。采用12v或24v负载控制，适用于各种阻性负载、感性负载或容性负载，尤其适用于具有高浪涌电流的负载，如灯等；可以作为继电器、保险丝及分立电路等控制方法的替代方法。此外，bts6143d还具有多项保护功能：短路保护、过载保护、过压保护、过温关断、掉地和掉电保护、静电放电保护和电源反接保护等。
[0030]
所述二极管bav70在电路中起到静电保护作用，防止静电（esd）经半导体损坏。bav70基本信息：正向电压 vf 最大：0.855v；时间trr 最大：6ns；电流 ifs 最大：500ma；封装形式：sot-23；针脚数：3；smd标号：a4；封装类型：sot-23；电流,ifsm：500ma；结温 tj 最高：150
°
c；表面安装器件：表面安装。
[0031]
所述二极管fr107为快恢复二极管，封装do-41,而快恢复二极管比较突出的特点是,反向恢复时间短，具体的参数：最大峰值反向电压：1000v；最大直流阻断电压：1000v；当
电流=1.0a时，正向压降:1.3v；最大直流反向电流ta=25℃：5.0ua；额定直流阻断电压ta=100℃：100ua；最大反向恢复时间：500ns(纳秒)；工作温度存储温度：-65+150℃；反向恢复时间测试条件：如果=0.5a，ir=1.0a，irr=0.25a。
[0032]
所述继电器ex2-2u1s具体参数为：额定电压：dc12；产品系列：3ua54；电流性质：直流；额定电流：24；触点切换电流：8 ；触点切换电压：12；防护特征：塑封式；触点负载： 中功率。
[0033]
实施例2在实施例1的基础上，本实施例提供实施例1的具体工作原理，如下：1、电机开启，微控制器驱动任意一个继电器吸合，并且通过软件延迟50ms以后，微控制开启mos管q15，从而实现直流电机驱动。电机工作时，可以通过电机电路采集端口采集电机的运行电流。
[0034]
2、电机关闭，微控制器关闭q15，通关软件延迟50ms关闭继电器。从而实现电机关闭。
[0035]
3、通过吸合电路中的两个不同的继电器实现电机的正转和反转。
[0036]
4、d17为q15的保护tvs，因为电机是感性负载，断开时会产生高压脉冲，通过d17对高压脉冲进行钳位，从而保护q15不被高压损坏。
[0037]
5、d8和d10为电机的续流二极管，当q13关闭时，对电机电感所存储的能量进行释放。
[0038]
进一步的，本电路的核心是，如果采用继电器直接对电机进行换向，在24v系统中继电器触点会因为感性负载非常容易损坏。该电路先吸合继电器，然后通过mos管开启电机，从而让继电器触点在不带负载时完成转换，保护继电器。关闭时先关闭q13，再释放继电器，继电器动作时，仍然处于空载状态。
[0039]
实施例3在实施例1的基础上，优选的，二极管fr107可替换为二极管rs1m，rs1m属于快恢复二极管系列，封装sma/do-214ac，其比较突出的特点是反向恢复时间短，具体参数：最大重复峰值反向电压:1000v；最大直流阻断电压:1000v；最大正向平均整流电流:1.0a；反向恢复时间:500ns(纳秒)；当电流=1.0a时，正向压降：1.3v；最大反向直流电流ta=25℃:0.5ma；额定直流阻断电压ta=100℃:10.0ma；操作结和存储温度范围:-50~+150℃。
[0040]
实施例4在实施例1的基础上，优选的，第一继电器和第二继电器可替换为一个双线圈继电器。
[0041]
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。