一种直流电机绕组电流的采样电路和采样方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电机控制领域，具体涉及一种直流电机定子绕组电流的采样电路和采样方法，解决了已有的电流失控造成的直流电机和功率管损坏问题。
【背景技术】
[0002]由于成本低廉，传统的直流电机(即有刷电机)目前仍广泛的应用于智能小车、智能机器人等电子设备中，直流电动机虽然比三相交流异步电动机结构复杂，维修也不便，但由于它的调速性能较好和起动转矩较大，因此，对调速要求较高的生产机械或者需要较大起动转矩的生产机械往往采用直流电动机驱动。直流电机结构简单坚固，工作可靠，效率高，其构成的直流电动机驱动系统与传统的交直流调速系统相比，具有很多优点，如:调速性能好，调速范围广，易于平滑调节，起动、制动转矩大，易于快速起动、停车，易于控制。直流电机在消费类电子产品和科研上的应用已经取得了一些效果，还存在一些问题有待进一步研宄解决，主要有电流控制、避免直通短路技术、驱动电路的优化等技术实现。
[0003]直流电动机在调速控制系统中需要在运行过程中对速度进行控制。目前，大多数直流电机控制系统采样的方案即是通过外部开环调节脉宽调制PWM占空比来调节直流电机的转速，而没有考虑对电机电流的控制，电机电流在运行过程中，当发生过载甚至堵转等异常事件时，容易导致电流激增，造成直流电机或者功率管烧毁。
【发明内容】
[0004]本发明针对现有的普通H全桥直流电机正反转驱动电路在电流检测和电流控制的问题，提出了一种直流电机绕组电流的采样电路和采样方法，在H全桥的两个下功率管和地之间分别串联采样电阻，将正、反两个旋转方向时的定子绕组电流分别转换成大于OV的正电压信号，继而经过低通滤波器滤波，各自传输给处理器CPU中的模数转换ADC模块，由处理器CPU中的比较程序进行判别比较，最终调节处理器CPU的脉宽调制PWM模块的输出，以控制定子绕组电流在预设值以内。其优点是，利用两个低成本采样电阻即可将正、反转时的定子绕组电流分别采样出来，并转换为正电压信号，方便处理器采样，无需霍尔电流传感器。最终在直流电机异常运行中，比如堵转和大负载的条件下，通过对电流上限的控制，能够保证直流电机稳定可靠的运行，实现了对直流电机总电流的实时采样和控制，能够解决电机运行过程中遇到的电流失控而导致电机或者控制器烧毁的问题。本申请的电路原理和结构简单、易于实现。
[0005]本发明为实现上述目的，所采用的技术方案为:一种直流电机定子绕组电流的采样电路，其特征在于:包括功率及电流采样电路、滤波电路和处理器，功率及电流采样电路用于控制直流电机定子绕组的电流方向和采样不同方向的绕组电流信号并将其转换成正电压信号，滤波电路对该正电压信号进行低通滤波以形成正、反向电流采样信号，处理器对正、反电流采样信号依次进行模数转换、比较判别以及调节脉宽调制PWM模块的输出占空比，控制功率及电流采样电路中的功率开关管；其中:
[0006]处理器为32位单片机，该32位单片机内集成了 10-12位模数转换ADC模块、脉宽调制PWM模块，并运行比较软件；模数转换ADC模块接受从滤波电路输入的正、反向电流采样信号，脉宽调制PWM模块向功率及电流采样电路输出功率开关管M1-M4的栅控制信号；
[0007]功率及电流采样电路为H全桥加上双路采样电阻结构，包括连接成为标准H全桥的四个功率开关管Ml?M4、四个续流二极管Dl?D4以及两路采样电阻Rl、R2，功率开关管Ml和M2的漏极与二极管Dl和D2的阴极连接在一起并连接直流电源DC的正极，续流二极管Dl的阳极与功率开关管Ml的源极、功率开关管M3的漏极、续流二极管D3的阴极以及直流电机定子绕组L的正端连接在一起，续流二极管D2的阳极与功率开关管M2的源极、功率开关管M4的漏极、续流二极管D4的阴极以及直流电机定子绕组L的负端连接在一起，功率开关管M3的源极连接续流二极管D3的阳极和电阻Rl的一端，并向滤波电路输出，电阻Rl的另一端连接直流电源DC的负极并接地，功率开关管M4的源极连接续流二极管D4的阳极和电阻R2的一端，并向滤波电路输出，电阻R2的另一端连接直流电源DC的负极并接地；功率开关管M1-M4的栅控制信号为处理器中脉宽调制PWM模块的输出信号；
[0008]滤波电路为双通道RC低通滤波结构，包括电阻R3和R4及电容Cl和C2，电阻R3的一端连接至功率及电流采样电路中功率开关管M3的源极，电阻R3的另一端连接至电容Cl的一端及处理器的模数转换ADC模块，电容Cl的另一端接地，电阻R4的一端连接功率及电流采样电路中功率开关管M4的源极，电阻R4的另一端连接至电容C2的一端及处理器的模数转换ADC模块，电容C2的另一端接地。
[0009]所述采样电阻Rl、R2是低温度系数电阻，包括锰铜电阻或康铜电阻中的一种。
[0010]所述滤波电路对电流采样电路生成的电压信号进行的处理包括:低通，滤除高频信号。
[0011]上述直流电机相绕组电流的采样电路的采样方法，其特征在于:在H全桥的两个下功率管和地之间分别串联采样电阻R1、R2，将正、反两个旋转方向时的定子绕组电流分别转换成大于OV的正电压信号，继而经过低通滤波器滤波，各自传输给处理器CPU中的模数转换ADC模块，由处理器CPU中的比较程序进行判别比较，最终调节处理器CPU的脉宽调制PWM模块的输出，以控制功率及电流采样电路中的功率开关管，从而将定子绕组电流在上限以内。
[0012]当功率开关管Ml和M4均导通时，直流电机处于正转励磁工作模式，采样电阻R2因绕组电流通过而形成等比例压降信号，并向滤波电路传输，经过滤波电路中的电阻R4和电容C2低通RC滤波后形成正向电流采样信号，继而传输到处理器的模数转换ADC模块，实现对定子绕组电流的电阻采样；
[0013]当功率开关管Ml关断，M4导通时，直流电机处于正转续流工作模式，此时采样电阻R2两端仍然存在与正向定子绕组电流等比例的电压信号，因此继续经过滤波电路向处理器的ADC模块实时传输，实现对定子绕组续流电流的电阻采样；此时采样电阻Rl两端实际上也有电压信号，但是由于此时处于正向工作阶段，完全可以忽略该路电压并不进行采样；
[0014]当功率开关管Ml和M4均关断时，直流电机处于正转去磁工作模式，此时采样电阻R2上没有电流经过，因此压降为O ;
[0015]当功率开关管M2和M3导通时，直流电机处于反转励磁工作模式，此时与功率开关管Ml和M4导通时原理相同，采样电阻Rl因绕组电流通过而形成等比例压降信号，并经滤波电路低通滤波后向处理器模数转换ADC模块传输。该模式以及反转续流模式、反转去磁模式原理与正转相同。
[0016]本发明的优点及显着效果:
[0017]本发明通过对直流电机的正反转H全桥驱动电路以及工作状态进行分析，提出了一种对正反转绕组电流采样及控制有益的可行性方案。利用H全桥驱动电路及两个采样电阻、低通滤波器、处理器CPU和其内置ADC，可对直流电机在不同状态下的电流进行准确的采样，并控制绕组电流在上限以内，保证了直流电机和控制器的可靠性。本发明利用了直流电机控制系统已有的硬件，辅助测量及控制电路，结构简单，实用性强。
【附图说明】
[0018]图1是本发明的电路原理图；
[0019]图2是本发明实施例1正转励磁工作模式下的工作原理图；
[0020]图3是本发明实施例2正转续流工作模式下的工作原理图；
[0021]图4是本发明实施例3反转励磁工作模式下的工作原理图；
[0022]图5是本发明实施例4反转续流工作模式下的工作原理图；
[0023]图6是本发明实施正、反转各种工作模式下的关键波形图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图和实例对本发明作更进一步的说明。
[0025]本发明将直流电机定子绕组电流的采样电路和采样方法运用到直流电机控制器中，能够采样正、反转时的定子绕组电流，使得当绕组电流超过上限时能够及时关闭功率开关管并调整绕组电流，防止控制器的损坏。本发明提供的采样电路和采样方法完全能够适用于这种对电流采样和电流控制要求严格的场合。
[0026]如图1所示，本发明提供的直流电机定子绕组电流的采样电路中串联一个直流电机的定子绕组L。该采样电路包括功率及电流采样电路1、滤波电路2和处理器3 (为32位单片机，单片机内集成了 10-12位ADC)。功率及电流采样电路I的作用一是控制直流电机定子绕组的电流方向，二是采样不同方向的绕组电流信号并将其转换成正电压信号，滤波电路2对该正电压信号进行低通滤波以形成正、反向电流采样信号，继而输出至处理器3，处理器3接收滤波电路传递的电压信号，并对正、反电流采样信号依次进行模数转换、比较判别以及调节脉宽调制PWM模块的输出占空比，脉宽调制PWM模块向功率及电流采样电路输出功率开关管M1-M4的栅控制信号。
[0027]功率及电流采样电路I为H全桥加上双路采样电阻结构，包括连接成为标准H全桥的四个功率开关管Ml?M4、四个续流二极管Dl?D4、两路采样电阻Rl、R2。功率开关管Ml和M2的漏极与二极管Dl和D2的阴极连接在一起并连接直流电源DC的正极，续流二极管Dl的阳极与功率开关管Ml的源极、功率开关管M3的漏极、续流二极管D3的阴极以及直流电机定子绕组L的正端连接在一起，续流二极管D2的阳极与功率开关管M2的源极、功率开关管M4的漏极、续流二极管D4的阴极以及直流电机定子绕组L的负端连接在一起，功率开关管M3的源极连接续流二极管D3的阳极和电阻Rl的一端，并向滤波电路输出，电阻Rl的另一端连接直流电源DC的负极并接地，功率开关管M4的源极连接续流二极管D4的阳极和电阻R2的一端，并向滤波电路输出，电阻R2的另一端连接直流电源DC的负极并接地；功率开关管M1-M4的栅控制信号为处理器中脉宽调制PWM模块的输出信号。
[0028]滤波电路2(用于对功率及电流采样电路形成的电压信号进行的处理包括:低通、滤除高频信号)为双通道RC低通滤波结构，包括电阻R3和R4，电容Cl和C2，电阻R3的一端连接至功率及电流采样电路从电阻Rl处的输出，另一端连接至电容Cl的一端及处理器的模数转换ADC模块，电容Cl的另一端接地，电阻R4的一端连接至功率及电流采样电路从电阻R2处的输出，另一端连接至电容C2的一端及处理器的模数转换ADC模块，电容C2的另一端接地。
[0029]采样方法为:当功率开关管Ml和M4均导通时，直流电机处于正转励磁工作模式，采