基于模数转换过流保护电路的电机控制器的制作方法

本发明涉及电子电路技术，具体的说是涉及一种基于模数转换过流保护电路的电机控制器。

背景技术：

电子继电器是一种电子控制器件，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”，故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。目前，电机的过流保护主要包括机械保护和电子继电器保护。其中，机械保护存在精度差、可靠性无法保证的缺点，而电磁继电器虽然具有很高的可靠性，但是体积大、耗材多，并且受铜的价格限制、成本较高。与以上两种保护方式相比，采用电子继电器保护不仅具有可靠性高、精度好等优势，而且解决了电磁继电器受铜价影响的成本问题，具有更加广阔的应用前景。而现有技术中缺少对电子继电器的过流保护电路，有可能对电机造成伤害，因此，针对电子继电器的过流保护电路的设计尤为重要。

技术实现要素：

本发明所要解决的，就是针对上述不足之处提出了一种基于模数转换过流保护电路的电机控制器。

本发明的技术方案为：

基于模数转换过流保护电路的电机控制器，包括电子继电器模块、电压采样模块、过流保护模块和驱动模块，所述电子继电器模块的输出端连接电机，其接地端连接所述电压采样模块的输入端；所述过流保护模块的输入端连接所述电压采样模块的输出端，其输出端通过驱动模块后连接电子继电器模块的控制端；

所述过流保护模块包括计时器、模数转换器、第一寄存器、第二寄存器、减法器和逻辑电路，所述模数转换器的输入端作为所述过流保护模块的输入端，其输出端连接第一寄存器和第二寄存器的输入端；所述计时器产生第一使能信号ena和第二使能信号enb，所述第一使能信号ena输入第一寄存器的使能端和模数转换器的使能端，所述第二使能信号enb输入第二寄存器的使能端、减法器的使能端和模数转换器的使能端；所述减法器的减数输入端连接第一寄存器的输出端，其被减数输入端连接第二寄存器的输出端；所述逻辑电路的输入端连接所述减法器的输出端，其输出端作为所述过流保护模块的输出端。

具体的，所述驱动模块包括第一反相器、第二反相器、第三反相器、第四反相器、第一pmos管pm1、第二pmos管pm2、第二nmos管nm2、第三nmos管nm3和电阻r1，

第一反相器的输入端连接所述过流保护模块的输出端，第四反相器的输出端连接所述电子继电器模块的控制端；

第二反相器的输入端连接第一反相器的输出端和第二nmos管nm2的栅极，其输出端连接第三nmos管nm3的栅极；

第一pmos管pm1的漏极连接第二nmos管nm2的漏极和第二pmos管pm2的栅极，其栅极连接第二pmos管pm2的漏极、第三nmos管nm3的漏极和第三反相器的输入端，第二nmos管nm2和第三nmos管nm3的源极接地，第一pmos管pm1和第二pmos管pm2的源极接电机的供电电压vin；

第四反相器的输入端连接第三反相器的输出端，电阻r1接在第四反相器的输出端和地之间。

具体的，所述电子继电器模块包括第一nmos管nm1，第一nmos管nm1的栅极作为所述电子继电器模块的控制端，其漏极作为所述电子继电器模块的输出端，其源极作为所述电子继电器模块的接地端。

具体的，所述电子继电器模块为igbt功率模块。

具体的，所述电子继电器模块为gto功率模块。

具体的，所述电压采样模块包括采样电阻rs和运算放大器opa，运算放大器opa的负向输入端作为所述电压采样模块的输入端，其正向输入端接地，其输出端作为所述电压采样模块的输出端，采样电阻rs接在所述电压采样模块的输入端和地之间。

具体的，在交流应用下，所述电压采样模块由阻容分压模块构成。

具体的，在交流应用下，所述电压采样模块由电容串联分压模块构成。

本发明的工作原理为：电压采样模块采样电机的工作电流，过流保护模块识别电机是否发生堵转并通过驱动模块控制电子继电器模块的开启和关断；设定计时器在第一时间节点输出第一使能信号ena控制模数转换器adc将电压采样模块的输出电压v1转化为对应的数字信号并存储到第一寄存器，在第二时间节点输出第二使能信号enb控制模数转换器adc将电压采样模块的输出电压v1转化为对应的数字信号并存储到第二寄存器，其中第一时间节点为上电瞬间，第二时间节点为上电过程中的一个时间节点；减法器在第二使能信号enb的控制下用第一寄存器的输出信号减第二寄存器的输出信号，得到的减法器的输出信号通过逻辑电路综合后输入到驱动模块，驱动模块通过控制电子继电器模块从而控制电机的开启和关断。

当电机上电正常起动时，流过电机的电流i产生一个很大的峰值，进而缓慢降低为正常工作时的电流值。采样第一时间节点和第二时间节点的两个电流得到两个采样电压，计时器控制adc将采样得到的电压转换为数字信号，进而存储到寄存器中。在第一时间节点即上电瞬间，计时器输出第一使能信号ena控制模数转换器adc将电压采样模块的输出电压v1转化为对应的数字信号，并且存入第一寄存器；在第二时间节点即上电过程中的一个时间节点，计时器输出第二使能信号enb控制模数转换器adc将电压采样模块的输出电压v1转化为对应的数字信号，并且存入第二寄存器。设定的第二时间节点得到的数字信号小于第一时间节点得到的数字信号，在第二时间节点的数据存入第二寄存器后，计时器的第二使能信号enb控制减法器开始工作，通过减法器用第一时间节点的数字信号减去第二时间节点的数字信号得到一个数字信号输出，此时减法器输出的数字信号为一个正数，经过逻辑电路logic综合后的输出电压v2不翻转且始终为低电平直至重新上电；v2为驱动模块的输入信号，经过驱动模块后到达驱动模块的输出端v3为高电平，开启电子继电器，电机正常起动。

当电机正常起动后，处于工作状态时，流过电机的电流为i，电压采样模块采样电流i得到一个电压v1；计时器使能控制模式转换器adc、第一寄存器、第二寄存器、减法器保持上电起动结束时的状态，经过逻辑电路logic综合后输出v2为低电平；v2为低电平，经过驱动模块后的输出信号v3为高电平，开启电子继电器，电机正常运转。

当电机发生堵转过流时，流过电机的电流i始终处于一个较大峰值，峰值电流随时间起初会有轻微下降然后保持不变。采样第一时间节点和第二时间节点电流得到两个采样电压，计时器控制模数转换器adc将采样得到的电压转换为数字信号，进而存储到寄存器中。在第一时间节点即上电瞬间，计时器输出第一使能信号ena控制adc将电压采样模块的输出电压v1转化为对应的数字信号，并且存入第一寄存器；在第二时间节点即上电过程中的一个时间节点，计时器输出第二使能信号enb控制模数转换器adc将电压采样模块的输出电压v1转化为对应的数字信号，并且存入第二寄存器。设定的第二时间节点得到的数字信号小于第一时间节点得到的数字信号，在第二时间节点的数据存入第二寄存器后，计时器的第二使能控制信号enb使能减法器开始工作，通过减法器用第一时间节点的数字信号减去第二时间节点的数字信号得到一个数字信号输出，由于上电瞬间和设定的第二时间节点通过电压采样模块得到输出电压v1和经过模数转换器adc转化得到的数字信号近似相等，故减法器输出的数字信号近似为0，经过逻辑电路logic综合后输出v2由低电平翻转为高电平且始终保持高电平；v2为驱动模块的输入，经过驱动模块后输出信号v3为低电平，关断电子继电器，从而关断电机。

本发明的有益效果是：提供一种基于模数转换过流保护电路的电机控制器，能够准确有效地区分电机上电时和堵转过流时造成的大电流，在电压采样模块采样到大电压时，过流保护模块识别电机是否发生堵转，一旦确认电机发生堵转，及时关断电子继电器，进而关断电机，保护芯片和电机。

附图说明

图1所示是本发明提供的基于模数转换过流保护电路的电机控制器的结构示意图；

图2是实施例中上电过程中电机工作电流与采样模块输出电压v1以及过流保护模块中各个信号的关系图；

图3是实施例中堵转过程中电机堵转电流与采样模块输出电压v1以及过流保护模块中各个信号的关系图；

图4是实施例中驱动模块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案：

如图1所示为本发明提供的基于模数转换过流保护电路的电机控制器的结构示意图，包括电压采样模块、过流保护模块、驱动模块、电子继电器模块；电子继电器模块的输出端连接电机，其接地端连接电压采样模块的输入端；过流保护模块的输入端连接电压采样模块的输出端，其输出端通过驱动模块后连接电子继电器模块的控制端；其中，电压采样模块采样电机的工作电流，过流保护模块在电机发生过流时关断电机，驱动模块控制电子继电器的开启与关断。

过流保护模块包括计时器、模数转换器、第一寄存器、第二寄存器、减法器和逻辑电路，模数转换器的输入端作为过流保护模块的输入端，其输出端连接第一寄存器和第二寄存器的输入端；计时器产生第一使能信号ena和第二使能信号enb，第一使能信号ena输入第一寄存器的使能端和模数转换器的使能端，第二使能信号enb输入第二寄存器的使能端、减法器的使能端和模数转换器的使能端；减法器的减数输入端连接第一寄存器的输出端，其被减数输入端连接第二寄存器的输出端；逻辑电路的输入端连接减法器的输出端，其输出端作为过流保护模块的输出端。

实施例：

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1中的电压采样模块所示，本实施例中的电压采样模块包括采样电阻rs和运算放大器opa，运算放大器opa的负向输入端作为电压采样模块的输入端，其正向输入端接地，其输出端作为电压采样模块的输出端，采样电阻rs接在所述电压采样模块的输入端和地之间。

在交流应用下，电压采样模块还可以由阻容分压模块或电容串联分压模块构成。

如图4所示，本实施例中的驱动模块包括第一反相器、第二反相器、第三反相器、第四反相器、第一pmos管pm1、第二pmos管pm2、第二nmos管nm2、第三nmos管nm3和电阻r1，第一反相器的输入端连接过流保护模块的输出端，第四反相器的输出端连接电子继电器模块的控制端；第二反相器的输入端连接第一反相器的输出端和第二nmos管nm2的栅极，其输出端连接第三nmos管nm3的栅极；第一pmos管pm1的漏极连接第二nmos管nm2的漏极和第二pmos管pm2的栅极，其栅极连接第二pmos管pm2的漏极、第三nmos管nm3的漏极和第三反相器的输入端，第二nmos管nm2和第三nmos管nm3的源极接地，第一pmos管pm1和第二pmos管pm2的源极接电机的供电电压vin；第四反相器的输入端连接第三反相器的输出端，电阻r1接在第四反相器的输出端和地之间。其中电机的供电电压vin为直流电压，大约为12v。

本实施例中电子继电器模块包括第一nmos管nm1，第一nmos管nm1的栅极作为电子继电器模块的控制端，其漏极作为电子继电器模块的输出端，其源极作为电子继电器模块的接地端。

电子继电器模块还可以为igbt功率模块或gto功率模块。其中igbt功率模块包括一个igbt管，即绝缘栅双极型晶体管，gto功率模块包括一个gto管，即门极关断晶闸管，其连接方式与第一nmos管nm1相同。

本实施例的工作原理为：

当电机上电正常起动时，流过电机的电流i产生一个很大的峰值，进而缓慢降低为正常工作时的电流值。采样第一时间节点和第二时间节点的两个电流得到两个采样电压，计时器控制adc将采样得到的电压转换为数字信号，进而存储到寄存器中。在第一时间节点即上电瞬间，计时器输出第一使能信号ena控制模数转换器adc将电压采样模块的输出电压v1转化为对应的数字信号，并且存入第一寄存器；在第二时间节点即上电过程中的一个时间节点，计时器输出第二使能信号enb控制模数转换器adc将电压采样模块的输出电压v1转化为对应的数字信号，并且存入第二寄存器。设定的第二时间节点得到的数字信号小于第一时间节点得到的数字信号，在第二时间节点的数据存入第二寄存器后，计时器的第二使能信号enb控制减法器开始工作，通过减法器用第一时间节点的数字信号减去第二时间节点的数字信号得到一个数字信号输出，此时减法器输出的数字信号为一个正数，经过逻辑电路logic综合后的输出电压v2不翻转且始终为低电平直至重新上电，如图2所示；v2为驱动模块的输入信号，经过驱动模块中的第一反相器、第二反相器控制第二nmos管nm2、第二pmos管pm2导通，第一pmos管pm1、第三nmos管nm3关断，经过第三反相器、第四反相器后到达驱动模块的输出端v3为高电平，开启电子继电器，电机正常起动。

当电机正常起动后，处于工作状态时，流过电机的电流为i，电压采样模块采样电流i得到一个电压v1；计时器使能控制模式转换器adc、第一寄存器、第二寄存器、减法器保持上电起动结束时的状态，经过逻辑电路logic综合后输出v2为低电平；v2为低电平，经过驱动模块中的第一反相器、第二反相器控制第二nmos管nm2、第二pmos管pm2导通，第一pmos管pm1、第三nmos管nm3关断，经过第三反相器、第四反相器后到达驱动模块的输出端v3为高电平，开启电子继电器，电机正常起动。

当电机发生堵转过流时，流过电机的电流i始终处于一个较大峰值，峰值电流随时间起初会有轻微下降然后保持不变。采样第一时间节点和第二时间节点电流得到两个采样电压，计时器控制模数转换器adc将采样得到的电压转换为数字信号，进而存储到寄存器中。在第一时间节点即上电瞬间，计时器输出第一使能信号ena控制adc将电压采样模块的输出电压v1转化为对应的数字信号，并且存入第一寄存器；在第二时间节点即上电过程中的一个时间节点，计时器输出第二使能信号enb控制模数转换器adc将电压采样模块的输出电压v1转化为对应的数字信号，并且存入第二寄存器。设定的第二时间节点得到的数字信号小于第一时间节点得到的数字信号，在第二时间节点的数据存入第二寄存器后，计时器的第二使能控制信号enb使能减法器开始工作，通过减法器用第一时间节点的数字信号减去第二时间节点的数字信号得到一个数字信号输出，由于上电瞬间和设定的第二时间节点通过电压采样模块得到输出电压v1和经过模数转换器adc转化得到的数字信号近似相等，故减法器输出的数字信号近似为0，经过逻辑电路logic综合后输出v2由低电平翻转为高电平且始终保持高电平，如图3所示；v2为驱动模块的输入，经过驱动模块中的第一反相器、第二反相器控制第二nmos管nm2、第二pmos管pm2关断，第一pmos管pm1、第三nmos管nm3导通，经过第三反相器、第四反相器后到达驱动模块的输出端v3为低电平，关断电子继电器，从而关断电机。