一种直流电机控制电路及直流电机控制系统的制作方法

一种直流电机控制电路及直流电机控制系统
【技术领域】
[0001]
本实用新型实施例涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种直流电机控制电路及直流电机控制系统。


背景技术：

[0002]
目前，多采用h桥驱动电路控制直流电机的运转，h桥驱动电路与控制器电连接，通过控制器输出的pwm信号的占空比调制h桥驱动电路的目标开关管基极或栅极的偏置，从而改变该目标开关管的导通时间，得到驱动电源，以实现直流电机的正向或反向调速。然而，在目标开关管工作状态切换的过程中，可能会对pwm信号的调制产生影响，导致降低驱动电源的可靠性，并且在直流电机调速过程中，驱动电源是恒定不变的，当驱动直流电机的驱动电流大于或等于阈值电流时，可能导致电路起火等安全隐患。


技术实现要素：

[0003]
本实用新型实施例旨在提供一种安全可靠的直流电机控制电路及直流电机控制系统。
[0004]
为解决上述技术问题，本实用新型实施例提供以下技术方案：
[0005]
本实用新型实施例提供了一种直流电机控制电路，包括：
[0006]
控制器，用于发送pwm信号；
[0007]
调速控制电路，与所述控制器电连接，用于响应所述pwm信号，产生驱动电源，所述驱动电源与所述pwm信号的占空比成正比关系；
[0008]
h桥驱动电路，与所述调速控制电路电连接，用于根据所述驱动电源，驱动所述直流电机工作，所述驱动电源与所述直流电机的转速成正比关系；
[0009]
过流保护电路，分别与所述h桥驱动电路和所述调速控制电路电连接，用于当检测到流经所述直流电机的驱动电流大于或等于阈值电流时，向所述调速控制电路发送保护信号，使得所述调速控制电路降低所述驱动电源；以及，
[0010]
转速检测电路，分别与所述h桥驱动电路和所述控制器电连接，用于采样所述直流电机的工作电压并将所述工作电压发送至所述控制器，使得所述控制器控制所述调速控制电路调整所述驱动电源。
[0011]
可选地，所述调速控制电路包括：
[0012]
充电电路；
[0013]
启动电路，分别与所述控制器和所述充电电路电连接，用于当所述pwm 信号为高电平时，控制外部电源为所述充电电路进行充电以及为所述h桥驱动电路路提供所述驱动电源，当所述pwm信号为低电平时，控制外部电源停止为所述充电电路进行充电，使得所述充电电路进行放电以为所述h桥驱动电路提供所述驱动电源。
[0014]
可选地，所述启动电路包括第一电阻、第二电阻、npn三极管、第三电阻、第四电阻以及pnp三极管；
[0015]
所述第一电阻的一端用于接收所述pwm信号，所述第一电阻的另一端与所述第二电阻的一端、所述npn三极管的基极以及所述过流保护电路电连接；所述第二电阻的另一端接地；所述npn三极管的发射极接地，所述npn三极管的集电极与所述第三电阻的一端电连接；所述第三电阻的另一端与所述第四电阻的一端和所述pnp三极管的基极电连接；所述第四电阻的另一端与所述pnp三极管的发射极电连接，用于接收外部电源；所述pnp三极管的集电极与所述充电电路电连接。
[0016]
可选地，所述充电电路包括电感和第一电容；
[0017]
所述电感的一端与所述pnp三极管的集电极电连接，所述电感的另一端与所述第一电容的正极电连接，用于输出所述驱动电源；所述第一电容的负极接地。
[0018]
可选地，所述调速控制电路还包括续流电路，所述续流电路电连接在所述启动电路和所述充电电路之间，用于当所述pwm信号为低电平时，所述启动电路控制外部电源停止为所述充电电路进行充电时，对所述充电电路产生的反向电动势作续流处理。
[0019]
可选地，所述续流电路包括第一二极管与第二二极管；
[0020]
所述第一二极管的阴极与所述pnp三极管的发射极电连接，所述第一二极管的阳极与所述pnp三极管的集电极、所述电感的一端以及所述第二二极管的阴极电连接；所述第二二极管的阳极接地。
[0021]
可选地，所述过流保护电路包括：
[0022]
第一采样电路，与所述h桥驱动电路电连接，用于采样流经所述直流电机的驱动电流，产生采样电压；
[0023]
开关电路，分别与所述第一采样电路和所述调速控制电路电连接，用于当所述采样电压大于电压导通阈值时，所述开关电路将所述pwm信号偏置在作为所述保护信号的低电平，使得所述调速控制电路降低所述驱动电源。
[0024]
可选地，所述第一采样电路包括第五电阻、第二电容以及第六电阻；
[0025]
所述第五电阻的一端与所述h桥驱动电路电连接，所述第五电阻的另一端与所述第二电容的一端、所述第六电阻的一端以及所述开关电路电连接；所述第二电容的另一端接地；所述第六电阻的另一端接地。
[0026]
可选地，所述转速检测电路包括第七电阻、第八电阻以及第三电容；
[0027]
所述第七电阻的一端与所述h桥驱动电路和所述第八电阻的一端电连接，所述第七电阻的另一端接地；所述第八电阻的另一端与所述第三电容的一端和所述控制器电连接；所述第三电容的另一端接地。
[0028]
本实用新型实施例还提供了一种直流电机控制系统，包括：
[0029]
直流电机；
[0030]
如上任一项所述的直流电机控制电路，所述直流电机控制电路与所述直流电机电连接。
[0031]
本实用新型的有益效果是：与现有技术相比较，本实用新型实施例提供了一种直流电机控制电路及直流电机控制系统，通过调速控制电路响应控制器发送的pwm信号，产生驱动电源，驱动电源与pwm信号的占空比成正比关系，h桥驱动电路根据驱动电源驱动直流电机工作，驱动电源与直流电机的转速成正比关系，过流保护电路当检测到流经直流电机的驱动电流大于或等于阈值电流时，向调速控制电路发送保护信号，使得调速控制电路降
低驱动电源。因此，本实用新型实施例通过调速控制电路将pwm信号转换成驱动电源，以直接驱动直流电机，且通过过流保护电路当检测到流经直流电机的驱动电流大于或等于阈值电流时，使得调速控制电路降低驱动电源，以实现即时的硬件保护，从而提升了直流电机控制电路的安全性和可靠性。
【附图说明】
[0032]
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
[0033]
图1为本实用新型实施例提供的一种直流电机控制系统的电路结构示意图；
[0034]
图2为本实用新型实施例提供的其中一种直流电机控制电路的电路结构示意图；
[0035]
图3为本实用新型实施例提供的其中一种直流电机控制电路的电路结构示意图；
[0036]
图4为本实用新型实施例提供的一种调速控制电路的电路连接示意图；
[0037]
图5为本实用新型实施例提供的一种h桥驱动电路的电路连接示意图；
[0038]
图6为本实用新型实施例提供的一种过流保护电路的电路连接示意图；
[0039]
图7为本实用新型实施例提供的一种转速检测电路的电路连接示意图。
【具体实施方式】
[0040]
为了便于理解本申请，下面结合附图和具体实施方式，对本申请进行更详细的说明。需要说明的是，当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0041]
除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本实用新型。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0042]
此外，下面所描述的本申请不同实施例中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
[0043]
请参阅图1，为本实用新型实施例提供的一种直流电机控制系统的电路结构示意图。如图1所示，直流电机控制系统300包括直流电机200以及如下任一实施例所述的直流电机控制电路100，直流电机控制电路100与直流电机 200电连接，用于控制直流电机200的运转。
[0044]
请参阅图2，为本实用新型实施例提供的其中一种直流电机控制电路的电路结构示意图。如图2所示，直流电机控制电路100包括控制器10、调速控制电路20、h桥驱动电路30、过流保护电路40以及转速检测电路50。
[0045]
控制器10用于发送pwm信号。
[0046]
在本实用新型实施例中，控制器10包括ad采样端口和若干个io端口， ad采样端口用于采集直流电机200的工作电压(如图7所示的ad端口)，若干个io端口包括分别用于输出pwm信号、dr1电平信号和dr2电平信号(具体如图4和图5所示)。pwm信号是对逆变电路开关
器件的通断进行控制，使得输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲代替正弦波或所需要的波形。因此，pwm信号是一种数字信号，具体为一种通或断的重复脉冲序列，通过控制通(on)或断(off)的比例，可得到不同占空比的pwm信号。
[0047]
在本实用新型实施例中，控制器10包括单片机，单片机可以采用51系列、arduino系列、stm32系列等。在一些实施例中，控制器10还可以为通用处理器、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列 (fpga)、arm(acorn risc machine)或其它可编程逻辑器件、分立门或晶体管逻辑、分立的硬件组件或者这些部件的任何组合；还可以是任何传统处理器、控制器、微控制器或状态机；也可以被实现为计算设备的组合，例如， dsp和微处理器的组合、多个微处理器、一个或多个微处理器结合dsp核、或任何其它这种配置。
[0048]
调速控制电路20与控制器10电连接，用于响应pwm信号，产生驱动电源，驱动电源与pwm信号的占空比成正比关系。
[0049]
请一并参阅图3，调速控制电路20包括充电电路201和启动电路202。
[0050]
如图4所示，充电电路201包括电感l1和第一电容c1。其中，电感l1 的一端与pnp三极管的集电极q2电连接，电感l1的另一端与第一电容c1的正极电连接，用于输出驱动电源v2；第一电容c1的负极接地。
[0051]
启动电路202分别与控制器10和充电电路201电连接，用于当pwm信号为高电平时，控制外部电源为充电电路201进行充电以及为h桥驱动电路30 提供驱动电源，当pwm信号为低电平时，控制外部电源停止为充电电路201 进行充电，使得充电电路201进行放电以为h桥驱动电路30提供驱动电源。
[0052]
如图4所示，启动电路包括第一电阻r1、第二电阻r2、npn三极管q1、第三电阻r3、第四电阻r4以及pnp三极管q2。其中，第一电阻r1的一端用于接收pwm信号，第一电阻r1的另一端与第二电阻r2的一端、npn三极管 q1的基极以及过流保护电路40电连接(通过图4所示的网络端口p与过流保护电路40，网络端口p为第一电阻r1、第二电阻r2以及npn三极管q1的连接节点)；第二电阻r2的另一端接地；npn三极管q1的发射极接地，npn三极管q1的集电极与第三电阻r3的一端电连接；第三电阻r3的另一端与第四电阻r4的一端和pnp三极管q2的基极电连接；第四电阻r4的另一端与pnp 三极管q2的发射极电连接，用于接收外部电源v1；pnp三极管q2的集电极与充电电路201(即电感l1的一端)电连接。
[0053]
在一些实施例中，请再次参阅图3，调速控制电路20还包括续流电路203，续流电路203电连接在启动电路202和充电电路201之间，用于当pwm信号为低电平时，启动电路202控制外部电源停止为充电电路201进行充电时，对充电电路201产生的反向电动势作续流处理。
[0054]
如图4所示，续流电路203包括第一二极管d1与第二二极管d2。其中，第一二极管d1的阴极与pnp三极管q2的发射极电连接，第一二极管d1的阳极与pnp三极管q2的集电极、电感l1的一端以及第二二极管d2的阴极电连接；第二二极管d2的阳极接地。
[0055]
综上，调速控制电路20的工作过程为：
[0056]
(1)接收控制器10发送的pwm信号，当pwm信号为高电平时，高电平信号经过第一电阻r1到达npn三极管q1的基极，满足npn三极管q1的导通条件，npn三极管q1导通，npn三极管q1的集电极电压被拉低，此时，满足 pnp三极管q2的导通条件，pnp三极管q2导通，外部电源
v1经过pnp三极管q2的发射极、pnp三极管q2的集电极、电感l1，为第一电容c1充电并为 h桥驱动电路30供电。
[0057]
(2)当pwm信号为低电平时，低电平信号经过第一电阻r1到达npn三极管q1的基极，不满足npn三极管q1的导通条件，npn三极管q1截止，此时，不满足pnp三极管q2的导通条件，pnp三极管q2截止。此时，第一电容c1进行放电，以使存储的能量为h桥驱动电路30供电。同时，由于通过电感的电流不能突变的特性，电感l1产生的反向电动势经过第一二极管d1与第二二极管d2进行续流，以保护pnp三极管q2不被击穿。
[0058]
(3)根据pwm信号的周期变化，重复步骤(1)和(2)，调速控制电路 20将外部电源v1转化为驱动电源v2，驱动电源v2的大小与pwm信号的占空比成正比关系，pwm信号的占空比越大，调速控制电路20输出的驱动电源v2 越大，pwm信号的占空比越小，调速控制电路20输出的驱动电源v2越小。
[0059]
h桥驱动电路30与调速控制电路20电连接，用于根据驱动电源，驱动直流电机200工作，驱动电源与直流电机200的转速成正比关系。
[0060]
如图5所示，h桥驱动电路30包括pmos管tr1、pmos管tr2、nmos管 tr3、nmos管tr4、电阻r51、电阻r52、npn三极管q51、电阻r53、电阻r54、电阻r55、电阻r56、npn三极管q52、电阻r57、电阻r58、电阻r59、电阻 r60、电阻r61以及电阻r62。
[0061]
其中，pmos管tr1的源极与电阻r54的一端、pmos管tr2的源极、电阻 r58的一端以及调速控制电路20电连接，用于接收驱动电源v2，pmos管tr1 的漏极与nmos管tr3的漏极以及直流电机200的正极m+电连接，pmos管tr1 的栅极与电阻r54的另一端和电阻r53的一端电连接；pmos管tr2的漏极与 nmos管tr4的漏极以及直流电机200的负极m-电连接，pmos管tr2的栅极与电阻r58的另一端和电阻r57的一端电连接；nmos管tr3的源极与nmos管 tr4的源极电连接，并通过网络端口iu与过流保护电路40和转速检测电路 50电连接，nmos管tr3的栅极与电阻r59的一端和电阻r60的一端电连接； nmos管tr4的栅极与电阻r61的一端和电阻r62的一端电连接；电阻r51的一端与控制器10电连接，用于接收dr1电平信号，电阻r51的另一端与电阻 r52的一端和npn三极管q51的基极电连接；电阻r52的另一端接地；npn三极管q51的发射极接地，npn三极管q51的集电极与电阻r53的另一端电连接；电阻r55的一端与控制器10电连接，用于接收dr2电平信号，电阻r55的另一端与电阻r56的一端和npn三极管q52的基极电连接；电阻r56的另一端接地；npn三极管q52的发射极接地，npn三极管q52的集电极与电阻r57的另一端电连接；电阻r59的另一端与电阻r61的另一端电连接；电阻r60的另一端接地；电阻r62的另一端接地。
[0062]
当dr1电平信号为高电平、dr2电平信号为低电平时，高电平信号经过电阻r51到达npn三极管q51的基极，满足npn三极管q51的导通条件，npn三极管q51导通，npn三极管q51的集电极电压的被拉低，pmos管tr1的栅极为低电压，满足pmos管tr1的导通条件，pmos管tr1导通；同时，高电平信号经过电阻r61到达nmos管tr4的栅极，满足nmos管tr4的导通条件，nmos 管tr4导通；低电平信号经过电阻r55到达npn三极管q52的基极，不满足 npn三极管q52的导通条件，npn三极管q52截止，不满足pmos管tr2的导通条件，pmos管tr2截止；同时，低电平信号经过电阻r59到达nmos管tr3 的栅极，不满足nmos管tr3的导通条件，nmos管tr3截止，因此，驱动电源 v2经过pmos管tr1、直流电机200的正极m+、直流电机200的负极m-、nmos 管tr4到地，直流电机200正转。
[0063]
当dr1电平信号为低电平、dr2电平信号为高电平时，低电平信号经过电阻r51到达npn三极管q51的基极，不满足npn三极管q51的导通条件，npn 三极管q51截止，不满足pmos管tr1的导通条件，pmos管tr1截止；同时，低电平信号经过电阻r61到达nmos管tr4的栅极，不满足nmos管tr4的导通条件，nmos管tr4截止；高电平信号经过电阻r55到达npn三极管q52的基极，满足npn三极管q52的导通条件，npn三极管q52导通，npn三极管q52 的集电极电压被拉低，pmos管tr2的栅极电压为低电压，满足pmos管tr2的导通条件，pmos管tr2导通；同时，低电平信号经过电阻r59到达nmos管 tr3的栅极，满足nmos管tr3的导通条件，nmos管tr3导通，因此，驱动电源v2经过pmos管tr2、直流电机200的负极m-、直流电机200的正极m+、 nmos管tr3到地，直流电机200反转。
[0064]
综上，在直流电机200正转或反转的过程中，驱动电源v2的大小与直流电机200的转速成正比关系，驱动电源v2越大，直流电机200的转速越快，驱动电源v2越小，直流电机200的转速越慢。因此，直流电机200的转速与 pwm信号的占空比有关，但pwm信号不直接参与直流电机200的调速过程，避免了pwm信号直接作用于h桥驱动电路30，由于半导体开关器件导通和关断导致输出的驱动电源不可靠的问题。
[0065]
过流保护电路40分别与h桥驱动电路30和调速控制电路20电连接，用于当检测到流经直流电机200的驱动电流大于或等于阈值电流时，向调速控制电路20发送保护信号，使得调速控制电路20降低驱动电源。
[0066]
如图3所示，过流保护电路40包括第一采样电路401和开关电路402。
[0067]
第一采样电路401与h桥驱动电路30电连接，用于采样流经直流电机200 的驱动电流，产生采样电压。
[0068]
如图6所示，第一采样电路401包括第五电阻r5、第二电容c2以及第六电阻r6。其中，第五电阻r5的一端与h桥驱动电路30(即图4所示的网络端口iu)电连接，第五电阻r5的另一端与第二电容c2的一端、第六电阻r6 的一端以及开关电路402电连接；第二电容c2的另一端接地；第六电阻r6 的另一端接地。
[0069]
开关电路402分别与第一采样电路401和调速控制电路20电连接，用于当采样电压大于电压导通阈值时，开关电路402将pwm信号偏置在作为保护信号的低电平，使得调速控制电路20降低驱动电源。
[0070]
如图6所示，开关电路402包括npn三极管q3，npn三极管q3的基极与第五电阻r5的另一端、第二电容c2的一端以及第六电阻r6的一端电连接， npn三极管q3的发射极接地，npn三极管q3的集电极与调速控制电路20电连接(即图4所示的网络端口p)。
[0071]
综上，过流保护电路40的工作过程如下：
[0072]
(1)假设直流电机200的阈值电流为im、npn三极管q3基极的导通电压为vb，当直流电机200正常工作时，直流电机200的驱动电流小于阈值电流im，直流电机200的驱动电流经过第五电阻r5、第二电容c2以及第六电阻r6，产生采样电压，并作用于npn三极管q3的基极。此时，采样电压小于 npn三极管q3的基极的导通电压vb，不满足npn三极管q3的导通条件，npn 三极管q3截止，过流保护电路40不工作。
[0073]
(2)当直流电机200异常(如发生桥臂短路、直流电机200短路等故障) 时，直流电机200的驱动电流大于或等于阈值电流im，直流电机200的驱动电流经过第五电阻r5、第二电容c2以及第六电阻r6，产生采样电压。此时，采样电压大于或等于npn三极管q3的基极的
导通电压vb，满足npn三极管 q3的导通条件，npn三极管q3导通，过流保护电路40工作。具体的，当npn 三极管q3导通时，npn三极管q3导通集电极的电压被拉低，通过网络端口p 将npn三极管q1的基极输入偏置为低电平，使得调速控制电路20无法接收pwm信号，进而使得调速控制电路20输出的驱动电源v2下降。
[0074]
(3)当驱动电源v2下降至使得直流电机200的驱动电流再次小于阈值电流im时，重复上述步骤(1)，过流保护电路40不工作，使得调速控制电路20可再次正常接收pwm信号，进而使得调速控制电路20输出的驱动电源 v2升高，当驱动电源v2升高至使得采样电压大于或等于npn三极管q3的基极的导通电压vb，重复上述步骤(2)，过流保护电路40工作。
[0075]
需要说明的是，上述过程为npn三极管q3的电流放大过程，最终使得h 桥驱动电路30的驱动电流(即流经直流电机200的驱动电流)等于阈值电流im，从而使得驱动电流不超过阈值电流im，以达到保护h桥驱动电路30的目的，从而提升了直流电机控制电路100的安全性。
[0076]
转速检测电路50分别与h桥驱动电路和控制器电连接，用于采样直流电机200的工作电压并将工作电压发送至控制器10，使得控制器10控制调速控制电路20调整驱动电源。
[0077]
如图7所示，转速检测电路50包括第七电阻r7、第八电阻r8以及第三电容c3。其中，第七电阻r7的一端与h桥驱动电路30和第八电阻r8的一端电连接，第七电阻r7的另一端接地；第八电阻r8的另一端与第三电容c3的一端和控制器10电连接；第三电容c3的另一端接地。
[0078]
其中，第七电阻r7为采样电阻，第七电阻r7的阻值等于vb/im。第八电阻r8和第三电容c3组成一滤波电路，对第七电阻r7采样的工作电压进行降噪滤波，并发送至控制器10的ad采样端口，控制器10根据转速检测电路50 采样的工作电压与预设电压，计算pwm信号的目标占空比，以使调速控制电路20根据目标占空比调整驱动电源。
[0079]
综上，转速检测电路50的工作过程如下：
[0080]
(1)当直流电机200正常工作时，流经直流电机200的驱动电流小于阈值电流im，第七电阻r7采样的直流电机200的工作电压，经过第八电阻r8 和第三电容c3作滤波处理后发送至控制器10，控制器10将第七电阻r7采样的直流电机200的工作电压与预设电压进行求差计算，根据求差计算的结果，调节控制器10输出的pwm信号的占空比，直到转速检测电路50采样的直流电机200的工作电压达到预设电压的允许偏差内，从而达到直流电机200调速的目的。
[0081]
(2)当直流电机200异常时，流经直流电机200的驱动电流大于或等于阈值电流im，第七电阻r7采样的直流电机200的工作电压，经过第八电阻 r8和第三电容c3作滤波处理后发送至控制器10，此时，工作电压大于或等于npn三极管q3的基极的导通电压vb，控制器10控制pwm信号为低电平，以实现软件控制过流保护的目的，进一步提升了直流电机控制电路100的安全性。
[0082]
本实用新型实施例提供了一种直流电机控制电路，通过调速控制电路响应控制器发送的pwm信号，产生驱动电源，驱动电源与pwm信号的占空比成正比关系，h桥驱动电路根据驱动电源驱动直流电机工作，驱动电源与直流电机的转速成正比关系，过流保护电路当检测到流经直流电机的驱动电流大于或等于阈值电流时，向调速控制电路发送保护信号，使得调速控制电路降低驱动电源。因此，本实用新型实施例通过调速控制电路将pwm信号转
换成驱动电源，以直接驱动直流电机，且通过过流保护电路当检测到流经直流电机的驱动电流大于或等于阈值电流时，使得调速控制电路降低驱动电源，以实现即时的硬件保护，从而提升了直流电机控制电路的安全性和可靠性。
[0083]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；在本实用新型的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本实用新型的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。