一种大功率电动舵机过流保护信号高速生成装置及方法与流程

本发明涉及电动舵机技术领域，尤其涉及一种大功率电动舵机过流保护信号高速生成装置及方法。

背景技术：

电动舵机伺服电路是一种高精度位置伺服电路,主要应用于飞行器、船舶、潜航器、机器人等领域。电动舵机的任务是克服负载力矩，精确地控制舵面偏转,使被控对象达到预期的姿态或位置。大功率的电动舵机在设计灵活性、功率密度、能量管理、多余度设计等方面具有显著优势，成为竞相研制的对象。

现有的电机过流保护方案有电流闭环控制方案、基于开关管导通压降的方案等。电流闭环控制方案电流保护快速性较差，需要经过电流检测、ad采样、电流环控制算法、控制量输出等环节，过程复杂，所需时间长，一般需要数个pwm控制周期才能起作用。对于堵转电流变化非常快的小电感电机，当电流超过设定值时，电流保护需要及时动作，一般在一个pwm周期内完成，基于电流闭环控制方案不能满足快速性要求。此外，小电感电机电流波动大，电流检测存在检测不准确的问题。基于开关管导通压降的过流保护方案保护动作快，但是存在保护电路复杂、过流保护设定值不准确的问题。一方面每一个开关管都需要一个导通压降检测电路，并且检测电路的电源供电、开通延时电路等都较复杂；另一方面每个开关管的电流与导通压降关系存在差异，并且易受温度的影响，过流保护动作设定值不准确。

综上所述，现有的电机存在以下不足：快速性差、保护过程复杂、耗时及电流检测精度低。

技术实现要素：

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种大功率电动舵机过流保护信号高速生成装置及方法，用以解决现有的电机快速性差、保护过程复杂、耗时及电流检测精度低等问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种大功率电动舵机过流保护信号高速生成装置，包括：

两个电流敏感模块，分别用于检测电机线圈任意两相的电流信号，并转换为一定比例的电压信号；

两个信号调理模块，分别用于对电流敏感模块输出的电压信号进行跟随和放大处理；

两个绝对值整形模块，分别用于对信号调理模块放大后的电压信号进行取绝对值处理；

参考设置模块，用于提供表征过流动作限流值的参考电压；

比较输出模块，分别用于将两个绝对值整形模块输出的绝对值电压信号与参考设置模块输出的参考电压进行比较，并将两路比较结果进行线与操作，当任意一路绝对值电压信号大于所述参考电压时生成低电平信号，两路绝对值电压信号均不大于所述参考电压时生成高电平信号，并将高、低电平信号对外输出。

在上述方案的基础上，本发明还做了如下改进：

进一步，所述电流敏感模块包括电流敏感器、第一电阻、第二电阻、第一电容、第二电容和采样电阻；

所述电流敏感器的正极性端连接第一电阻的一端，所述第一电阻的另一端接至正电源；第一电容的一端连接正电源，另一端接地；

所述电流敏感器的负极性端连接第二电阻的一端，所述第二电阻的另一端接至负电源；第二电容的一端连接负电源，另一端接地；

所述电流敏感器的m端通过采样电阻接地；同时电流敏感器的m端为电流敏感模块的输出端。

进一步，所述信号调理模块包括信号跟随单元和信号放大单元；

所述信号跟随单元包括第一运算放大器；所述第一运算放大器的同相输入端与电流敏感模块的输出端连接，反相输入端与输出端相连；

所述信号放大单元包括第二运算放大器、第三电阻和第四电阻；第二运算放大器的反相输入端与输出端之间串联所述第三电阻，同相输入端与地之间串联所述第四电阻。

进一步，所述信号跟随单元输出端与信号放大单元的反相输入端通过第五电阻相连。

进一步，所述绝对值整形模块包括取绝对值单元和抗混叠低通滤波单元；

所述取绝对值单元包括两个运算放大电路u3c和u3d、七个电阻r13、r14、r15、r16、r17、r20、r21和两个二极管d1、d2；其中，二极管d1的阳极连接运算放大器u3c的输出端和二极管d2的阴极，二极管d1的阴极连接运算放大器u3c的反相输入端、电阻r16的一端和电阻r15的一端；电阻r15的另一端连接二极管d2的阳极和电阻r17的一端；电阻r16的另一端连接电阻r13的一端，电阻r13的另一端连接电阻r14的一端和电阻r17的另一端和运算放大器u3d的反相输入端；电阻r14的另一端连接运算放大器u3d的输出端；电阻r21的一端连接运算放大器u3d的同相输入端，另一端接地；

所述抗混叠低通滤波单元包括一个运算放大器、一个电阻和两个电容；其中，运算放大器的反相输入端与输出端相连，同相输入端连接电阻的一端，电阻的另一端连接电容的一端，电容的另一端连接运算放大器的输出端；另一个电容的一端接运算放大器的同相输入端，另一端接地。

进一步，所述取绝对值单元的输出端与抗混叠低通滤波单元的输入端通过第六电阻相连。

进一步，所述参考设置模块包括参考电压芯片u6、电阻r31、r32、电容c9、c10和运算放大器u5b；所述参考电压芯片u6的v+端接电源、电容c9的一端和参考电压芯片的sle端；电容c9的另一端接地；电压参考芯片的out端连接电容c10的一端和电阻r32的一端；电容c10的另一端连接电阻r31的一端并接地；电阻r31的另一端与电阻r32的另一端相连且接至运算放大器u5b的同相输入端；运算放大器u5b的反相输出端与其输出端相连。

进一步，所述比较输出模块包括电压比较器u7、电阻r34-r44和上拉电阻r33；

所述电压比较器的1in-端连接电阻r35的一端和电阻r37的一端；电阻r35的另一端接地，电压比较器的1in+端连接电阻r39的一端和r40的一端，电阻r40的另一端接地；电阻r34的一端接电压比较器的vcc端，另一端接电源；电压比较器的2in-端接电阻r36的一端和电阻r38的一端，电阻r36的另一端接地；电压比较器的2in+端接电阻r41的一端和r42的一端，电阻r42的另一端接地；电阻r43跨接在电压比较器的1in+和iout端；电阻r44跨接在电压比较器的2in+和iout端；电阻r37和电阻r38的另一端连接绝对值整形模块的输出端；电阻r39和电阻r41的另一端连接参考设置模块的输出端；电压比较器的1out端经由上拉电阻r33接至电源。

进一步，所述比较输出模块还包括输出接口p1；

所述输出接口p1用于将线与后生成的高低电平信号输出至外部控制电路，高电平信号可由外部所接反相器生成低电平信号，该低电平信号为过流保护信号，以便所述外部控制电路根据所述过流保护信号生成封锁电机驱动信号。

另一方面，本发明实施例提供了一种大功率电动舵机过流保护信号高速生成装置的过流保护信号高速生成方法，包括如下步骤：

两个电流敏感模块将检测到的电机线圈任意两相的电流信号转换为一定比例的电压信号，并输出至信号调理模块；

两个信号调理模块对电流敏感模块输出的电压信号进行跟随和放大处理，并将放大后的电压信号输出至绝对值整形模块；

两个绝对值整形模块对信号调理模块放大后的电压信号进行取绝对值处理，并将绝对值电压输出至比较输出模块；

参考设置模块提供表征过流动作限流值的参考电压，并将参考电压输出至比较输出模块；

比较输出模块分别将两个绝对值整形模块输出的绝对值电压信号与参考设置模块输出的参考电压进行比较，并将两路比较结果进行线与操作，当任意一路绝对值电压信号大于所述参考电压时生成低电平信号，任意一路绝对值电压信号都不大于所述参考电压时生成高电平信号，并将高、低电平信号对外输出；高电平信号由外部所接反相器生成低电平信号，该低电平信号使得外部的控制电路生成封锁电机驱动信号。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

1、通过选用高带宽电流敏感器及快速的电压比较器，减小了电路的延时，提高了电路的快速性和准确性；

2、通过比较器的线与逻辑，生成高低电平的过流保护信号，提高了电流检测的精度；

3、通过直接对电流进行检测和保护，所有的电路均由高速模拟电路实现，保证了过流保护动作的快速性和准确性；

4、电路结构简单，易于实施。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为一个实施例中一种大功率电动舵机过流保护信号高速生成装置结构示意图；

图2为一个实施例中电流敏感模块结构示意图；

图3为一个实施例中信号调理模块结构示意图；

图4为一个实施例中绝对值整形模块结构示意图；

图5为一个实施例中参考设置模块结构示意图；

图6为一个实施例中比较输出模块结构示意图；

图7为另一个实施例中一种大功率电动舵机过流保护信号高速生成装置的过流保护信号高速生成方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一个具体实施例，如图1所示，公开了一种大功率电动舵机过流保护信号高速生成装置，包括：两个电流敏感模块，分别用于检测电机线圈任意两相的电流信号，并转换为一定比例的电压信号；两个信号调理模块，分别用于对电流敏感模块输出的电压信号进行跟随和放大处理；两个绝对值整形模块，分别用于对信号调理模块放大后的电压信号进行取绝对值处理；参考设置模块，用于提供表征过流动作限流值的参考电压；比较输出模块，分别用于将两个绝对值整形模块输出的绝对值电压信号与参考设置模块输出的参考电压进行比较，并将两路比较结果进行线与操作，当任意一路绝对值电压信号大于参考电压时生成低电平信号，两路绝对值电压信号均不大于参考电压时生成高电平信号，并将高、低电平信号对外输出。

实施时，采用y型连接的三相永磁电机，工作在两相导通三相六状态工作模式，由于任意一相电流幅值为零，其余另外两相电流幅值相等，则通过测量u、v、w中的任意两相电流，便可得三相最大电流幅值。本实施例以测量u、v两相电流为例进行展开论述。

通过直接对电流进行检测和保护，所有的电路均由高速模拟电路实现，保证了过流保护动作的快速性和准确性。

优选的，如图2所示，分别给出了两个电流敏感模块的结构示意图，两电流敏感模块结构相同，均包括电流敏感器u1/u2、第一电阻r1/r2、第二电阻、第一电容、第二电容和采样电阻；电流敏感器的正极性端连接第一电阻的一端，第一电阻的另一端接至正电源；第一电容的一端连接正电源，另一端接地；电流敏感器的负极性端连接第二电阻的一端，第二电阻的另一端接至负电源；第二电容的一端连接负电源，另一端接地；电流敏感器的m端通过采样电阻接地；同时电流敏感器的m端为电流敏感模块的输出端。

具体地，电流敏感模块选择适当量程带宽足够高的电流敏感器，电流敏感器的测量范围应不小于被测电流的最大值，在留有余量后应接近于被测电流的最大值。假设目标过流保护限流幅值为iref＝100a，选用lem公司的la100-p作为示例，其最大测量电流±150a，-1db带宽为200khz,采用±15v供电，输出端对地接20欧姆的低温飘精密电阻，转换系数ks＝0.01。

通过选用高带宽电流敏感器，减小了电路的延时，提高了电路的快速性和准确性。

优选的，如图3所示，信号调理模块包括信号跟随单元和信号放大单元；信号跟随单元包括第一运算放大器；第一运算放大器的同相输入端与电流敏感模块的输出端连接，反相输入端与输出端相连；信号放大单元包括第二运算放大器、第三电阻和第四电阻；第二运算放大器的反相输入端与输出端之间串联第三电阻，同相输入端与地之间串联第四电阻。其中，信号跟随单元输出端与信号放大单元的反相输入端通过第五电阻相连。

具体的，信号调理模块由信号跟随电路和信号放大电路组成，选用高带宽低噪声的运算放大器搭建，如tl081/tl082/tl084、opa211/opa2211等。利用运放的高输入阻抗性质搭建信号跟随电路，正输入端接被跟随信号，负输入端和输出端短路输出。信号放大电路的放大倍数k与参考设置模块的参考电压vref相协调，满足公式vref＝k×ks×iref。

通过信号调理模块，将表征电机线圈电流大小的弱电压信号进行跟随和放大处理，提高了电路的准确度。

优选的，如图4所示，绝对值整形模块包括取绝对值单元和抗混叠低通滤波单元；取绝对值单元包括两个运算放大电路u3c和u3d、七个电阻r13、r14、r15、r16、r17、r20、r21和两个二极管d1、d2；其中，二极管d1的阳极连接运算放大器u3c的输出端和二极管d2的阴极，二极管d1的阴极连接运算放大器u3c的反相输入端、电阻r16的一端和电阻r15的一端；电阻r15的另一端连接二极管d2的阳极和电阻r17的一端；电阻r16的另一端连接电阻r13的一端，电阻r13的另一端连接电阻r14的一端和电阻r17的另一端和运算放大器u3d的反相输入端；电阻r14的另一端连接运算放大器u3d的输出端；电阻r21的一端连接运算放大器u3d的同相输入端，另一端接地；抗混叠低通滤波单元包括一个运算放大器、一个电阻和两个电容；其中，运算放大器的反相输入端与输出端相连，同相输入端连接电阻的一端，电阻的另一端连接电容的一端，电容的另一端连接运算放大器的输出端；另一个电容的一端接运算放大器的同相输入端，另一端接地。其中，取绝对值单元的输出端与抗混叠低通滤波单元的输入端通过第六电阻相连。

具体的，绝对值整形模块选用高带宽低噪声的运算放大器和低导通压降快恢复二极管搭建，如运放tl081/tl082/tl084、opa211/opa2211，二极管in4148等。设定抗混叠低通滤波器的截止频率与电流敏感器的带宽相当。

通过绝对值整形模块，将信号调理电路输出的电压信号进行取绝对值处理，减小了电路的误差；提高了电路的精确度。

优选的，如图5所示，参考设置模块包括参考电压芯片u6、电阻r31、r32、电容c9、c10和运算放大器u5b；所述参考电压芯片u6的v+端接电源、电容c9的一端和参考电压芯片的sle端；电容c9的另一端接地；电压参考芯片的out端连接电容c10的一端和电阻r32的一端；电容c10的另一端连接电阻r31的一端并接地；电阻r31的另一端与电阻r32的另一端相连且接至运算放大器u5b的同相输入端；运算放大器u5b的反相输出端与其输出端相连。

具体的，参考设置模块采用高稳定度的参考电压芯片搭建，如ref194等。参考电压vref应与目标过流保护限流幅值iref和信号放大电路的放大倍数k相协调，满足公式vref＝k×ks×iref。参考电压vref应大于绝对值整形模块的等效失调电压(不超过0.5v)，并留有余量。当所选参考电压芯片输出能力不足时，可以采用跟随电路进行输出。

通过参考设置模块设置的参考电压大于绝对值整形模块的失调电压，使得参考电压留有一定的余量，减小了电路误差，保证了电路的稳定运行。

优选的，如图6所示，比较输出模块包括电压比较器u7、电阻r34-r44和上拉电阻r33；电压比较器的1in-端连接电阻r35的一端和电阻r37的一端；电阻r35的另一端接地，电压比较器的1in+端连接电阻r39的一端和r40的一端，电阻r40的另一端接地；电阻r34的一端接电压比较器的vcc端，另一端接电源；电压比较器的2in-端接电阻r36的一端和电阻r38的一端，电阻r36的另一端接地；电压比较器的2in+端接电阻r41的一端和r42的一端，电阻r42的另一端接地；电阻r43跨接在电压比较器的1in+和iout端；电阻r44跨接在电压比较器的2in+和iout端；电阻r37和电阻r38的另一端连接绝对值整形模块的输出端；电阻r39和电阻r41的另一端连接参考设置模块的输出端；电压比较器的1out端经由上拉电阻r33接至电源。比较输出模块还包括输出接口p1；输出接口p1用于将线与后生成的高低电平信号输出至外部控制电路，高电平信号可由外部所接反相器生成低电平信号，该低电平信号为过流保护信号，以便所述外部控制电路根据所述过流保护信号生成封锁电机驱动信号。

具体的，比较输出模块选用快速的电压比较器搭建，如lm193/lm293/lm393等，并利用集电极开路进行线与操作，按需要经过上拉电阻连接到不同幅值的电源电压，输出与ttl，mos，cmos兼容的电平信号。本示例采用10kω电阻上拉至5v电源，则比较输出模块输出高5v、低0v的信号。

通过比较输出模块的线与逻辑，生成高低电平的过流保护信号，提高了电流检测的精度。

本发明的另一个具体实施例，如图7所示，提供了一种大功率电动舵机过流保护信号高速生成装置的过流保护信号高速生成方法，包括以下步骤：

两个电流敏感模块将检测到的电机线圈任意两相的电流信号转换为一定比例的电压信号，并输出至信号调理模块；

两个信号调理模块对电流敏感模块输出的电压信号进行跟随和放大处理，并将放大后的电压信号输出至绝对值整形模块；

两个绝对值整形模块对信号调理模块放大后的电压信号进行取绝对值处理，并将绝对值电压输出至比较输出模块；

参考设置模块提供表征过流动作限流值的参考电压，并将参考电压输出至比较输出模块；

比较输出模块分别将两个绝对值整形模块输出的绝对值电压信号与参考设置模块输出的参考电压进行比较，并将两路比较结果进行线与操作，当任意一路绝对值电压信号大于所述参考电压时生成低电平信号，任意一路绝对值电压信号都不大于所述参考电压时生成高电平信号，并将高、低电平信号对外输出；高电平信号由外部所接反相器生成低电平信号，该低电平信号使得外部的控制电路生成封锁电机驱动信号。

通过线与逻辑，生成高低电平的过流保护信号，提高了电流检测的精度；同时直接对电流进行检测和保护，所有的电路均由高速模拟电路实现，保证了过流保护动作的快速性和准确性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。