一种电机的硬件限流保护电路的制作方法

本实用新型涉及光伏发电技术领域，特别涉及一种电机的硬件限流保护电路。

背景技术：

当前的光伏跟踪系统，主要是通过安装于跟踪支架上的电机驱动主轴转动，从而带动主轴上安装的光伏组件旋转，进而达到跟踪太阳的目的。

上述光伏跟踪系统在工作时，会存在由机械应力导致跟踪支架变形或有杂物阻挡、限位开关故障，导致电机被卡住出现堵转的现象。电机正常工作时，电能转化为电磁能再转化为动能；而电机堵转时，电能则全部转化成了热能。此时电机相当于一根铜线，直接将电源短路，由于电机的阻值很低，导致电流很大，堵转电机产生大量热量，而散热不良或电机铜线无法耐受大电流将会导致电机烧毁。

为了保护电机不会因堵转而烧毁，现有技术中通常采用软件控制方案来实现对于电机的限流保护，但是软件控制方案难免存在程序异常的隐患，导致限流保护的可靠性低。

技术实现要素：

本实用新型提供一种电机的硬件限流保护电路，以解决现有技术中可靠性低的问题。

为实现上述目的，本申请提供的技术方案如下：

一种电机的硬件限流保护电路，包括：开关管、限流检测电路、信号处理电路、比较电路及保护驱动电路；其中：

所述开关管的输入端与直流电源相连；

所述开关管的输出端通过所述限流检测电路为所述电机供电；

所述限流检测电路的输出端与所述信号处理电路的输入端相连；

所述信号处理电路的输出端与所述比较电路的输入端负极相连；所述比较电路的输入端正极接收预设基准信号；

所述比较电路的输出端与所述保护驱动电路的输入端相连；

所述保护驱动电路的输出端与所述开关管的控制端相连。

优选的，所述限流检测电路包括：分流器、第一电阻、第二电阻及第一电容；其中：

所述分流器的一端与所述开关管的输出端及参考地相连；

所述分流器的另一端与所述第一电阻的一端及所述第二电阻的一端相连，连接点为所述电机供电；

所述第一电阻的另一端与所述第一电容的一端相连，连接点接地；

所述第一电容的另一端与所述第二电阻的另一端相连，连接点为所述限流检测电路的输出端、与所述信号处理电路的输入端负极相连，所述信号处理电路的输入端正极接收参考信号；所述参考信号为所述直流电源的电压分压值。

优选的，所述限流检测电路为：电流互感器；

所述开关管的输出端穿过所述电流互感器为所述电机供电；

所述电流互感器的输出端正极与所述信号处理电路的输入端正极相连；

所述电流互感器的输出端负极与所述信号处理电路的输入端负极相连。

优选的，所述信号处理电路为比例电路。

优选的，所述信号处理电路为积分电路或者比例积分电路。

优选的，所述比较电路包括：比较器、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第四电容、第五电容及第六电容；其中：

所述第七电阻的一端为所述比较电路的输入端正极；

所述第七电阻的另一端与所述比较器的同相输入端及所述第五电容的一端相连；

所述第五电容的另一端接地；

所述第六电阻的一端为所述比较电路的输入端负极；

所述第六电阻的另一端与所述比较器的反相输入端及所述第四电容的一端相连；

所述第四电容的另一端与所述比较器的接地端及所述第六电容的一端相连，连接点与参考地相连；

所述第六电容的另一端与所述第八电阻的一端及所述比较器的输出端相连，连接点为所述比较电路的输出端；

所述第八电阻的另一端与所述比较器的供电端相连，连接点与第一电源相连。

优选的，所述保护驱动电路包括：第一光耦、驱动芯片、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第七电容、第八电容及第一二极管；其中：

所述第一光耦的正极为所述保护驱动电路的输入端；

所述第一光耦的负极通过所述第九电阻与参考地相连；

所述第一光耦的集电极与所述第十电阻的一端、所述第七电容的一端及所述驱动芯片的HIN引脚相连；

所述第一光耦的发射极与参考地相连；

所述第十电阻的另一端与所述第七电容的另一端、所述驱动芯片的Vss引脚及所述第一二极管的正极相连，连接点与第一电源相连；

所述第一二极管的负极与所述驱动芯片的VB引脚及所述第八电容的一端相连；

所述第八电容的另一端与所述驱动芯片的VS引脚相连；

所述驱动芯片的HO引脚与所述第十一电阻的一端相连；

所述第十一电阻的另一端为所述保护驱动电路的输出端；

所述驱动芯片的LIN阴极和LO引脚悬空，所述驱动芯片的COM引脚与参考地相连。

优选的，所述开关管为金属氧化物半导体场效应晶体管。

优选的，还包括：声光告警电路；所述声光告警电路的输入端与所述比较电路的输出端相连。

优选的，所述声光告警电路包括：第二光耦、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、三极管、第二二极管、指示灯及蜂鸣器；其中：

所述第二光耦的正极为所述声光告警电路的输入端；

所述第二光耦的负极通过所述第十二电阻与参考地相连；

所述第二光耦的集电极与第一电源相连；

所述第二光耦的发射极与所述第十三电阻的一端及所述三极管的基极相连；

所述第十三电阻的另一端与参考地相连；

所述三极管的集电极通过所述第二二极管与第一电源相连；

所述三极管的发射极通过所述第十四电阻与参考地相连；

所述蜂鸣器的两端分别与所述第二二极管的正极和负极相连；

所述指示灯的正极与所述第二二极管的负极相连；

所述指示灯的负极通过所述第十五电阻与参考地相连。

本实用新型提供的电机的硬件限流保护电路，通过限流检测电路检测开关管输出至电机的电流大小，当电流过大时，该限流检测电路的输出信号将会通过信号处理电路的处理之后，在比较电路中与预设基准信号进行比较，进而由比较电路的输出信号通过保护驱动电路控制开关管关断，切断对于电机的供电；本申请以硬件控制实现对于电机的限流保护，避免了现有技术中采用软件控制实现电机限流保护所带来的可靠性低的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术内的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述内的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的电机的硬件限流保护电路的结构示意图；

图2a和图2b是本实用新型另一实施例提供的电机的硬件限流保护电路的两种电路图；

图3是本实用新型另一实施例提供的电机的硬件限流保护电路的另一电路图；

图4是本实用新型另一实施例提供的电机的硬件限流保护电路的另一电路图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本实用新型提供一种电机的硬件限流保护电路，以解决现有技术中可靠性低的问题。

请参见图1，该电机的硬件限流保护电路包括：开关管Q1、限流检测电路101、信号处理电路102、比较电路103及保护驱动电路104；其中：

开关管Q1的输入端与直流电源(电压为V_DC)相连；

开关管Q1的输出端通过限流检测电路101为电机供电，供电电压为V_out；

限流检测电路101的输出端与信号处理电路102的输入端相连；

信号处理电路102的输出端与比较电路103的输入端负极相连；比较电路103的输入端正极接收预设基准信号Vf2；

比较电路103的输出端与保护驱动电路104的输入端相连；

保护驱动电路104的输出端与开关管Q1的控制端相连。

优选的，该开关管Q1为金属氧化物半导体场效应晶体管，即MOS管。

具体的工作原理为：

开关管Q1在导通状态下能够以直流电源输出的电力为电机供电；在开关管Q1输出端设置的限流检测电路101能够检测开关管Q1输出至电机的电流大小；当流过开关管Q1通过限流检测电路101为电机供电的电流过大时，该限流检测电路101的输出信号将会通过信号处理电路102进行处理，并且处理之后得到的信号将会在比较电路103中与预设基准信号Vf2进行比较，由比较电路103的输出信号表征电机电流过大；此时，比较电路103的输出信号将会通过保护驱动电路104控制开关管Q1关断，进而切断直流电源对于电机的供电。

本实施例提供的该电机的硬件限流保护电路，通过上述过程，能够以纯硬件电路实现对于电机的限流保护，避免了现有技术中采用软件控制实现电机限流保护所带来的可靠性低的问题。

值得说明的是，本实施例中所提到的电机，并不仅限于光伏跟踪系统中的电机，还可以为其他小型直流电机，比如光伏清扫系统中的电机，均可以采用上述硬件限流保护电路实现限流保护。

本实用新型另一实施例还提供了一种具体的电机的硬件限流保护电路，在上述实施例及图1的基础之上，给出了各个电路的具体实现形式：

可选的，如图2a所示，其限流检测电路101包括：分流器、第一电阻R1、第二电阻R2及第一电容C1；其中：

分流器的一端与开关管Q1的输出端及参考地GND1相连；

分流器的另一端与第一电阻R1的一端及第二电阻R2的一端相连，连接点为电机供电；

第一电阻R1的另一端与第一电容C1的一端相连，连接点接地GND；

第一电容C1的另一端与第二电阻R2的另一端相连，连接点为限流检测电路101的输出端、与信号处理电路102的输入端负极相连，信号处理电路102的输入端正极接收参考信号Vf1。

可选的，其信号处理电路102为比例电路。

具体的，如图2a所示，该信号处理电路102包括：第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、电阻R16、第二电容C2及比较器Q2；其中：

第四电阻R4的一端与第二电容C2的一端相连，连接点为该信号处理电路102的输入端正极；

第四电阻R4的另一端与第五电阻R5的一端及比较器Q2的同相输入端相连；

第二电容C2的另一端与第五电阻R5的另一端均接地GND；

第三电阻R3的一端为该信号处理电路102的输入端负极；

第三电阻R3的另一端与电阻R16的一端及比较器Q2的反相输入端相连；

电阻R16的另一端与比较器Q2的输出端相连；

比较器Q2的供电端与第二电源相连，接收电压VCC2；

比较器Q2的接地端接地GND。

可选的，比较电路103包括：比较器Q3、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第四电容C4、第五电容C5及第六电容C6；其中：

第七电阻R7的一端为比较电路103的输入端正极；

第七电阻R7的另一端与比较器Q3的同相输入端及第五电容C5的一端相连；

第五电容C5的另一端接地GND；

第六电阻R6的一端为比较电路103的输入端负极；

第六电阻R6的另一端与比较器Q3的反相输入端及第四电容C4的一端相连；

第四电容C4的另一端与比较器Q3的接地GND端及第六电容C6的一端相连，连接点与参考地GND1相连；

第六电容C6的另一端与第八电阻R8的一端及比较器Q3的输出端相连，连接点为比较电路103的输出端；

第八电阻R8的另一端与比较器Q3的供电端相连，连接点与第一电源(电压为VCC1)相连。

可选的，保护驱动电路104包括：第一光耦E1、驱动芯片N1、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第七电容C7、第八电容C8及第一二极管D1；其中：

第一光耦E1的正极为保护驱动电路104的输入端；

第一光耦E1的负极通过第九电阻R9与参考地GND1相连；

第一光耦E1的集电极与第十电阻R10的一端、第七电容C7的一端及驱动芯片N1的HIN引脚相连；

第一光耦E1的发射极与参考地GND1相连；

第十电阻R10的另一端与第七电容C7的另一端、驱动芯片N1的Vss引脚及第一二极管D1的正极相连，连接点与第一电源(电压为VCC1)相连；

第一二极管D1的负极与驱动芯片N1的VB引脚及第八电容C8的一端相连；

第八电容C8的另一端与驱动芯片N1的VS引脚相连；

驱动芯片N1的HO引脚与第十一电阻R11的一端相连；

第十一电阻R11的另一端为保护驱动电路104的输出端；

驱动芯片N1的LIN阴极和LO引脚悬空，驱动芯片N1的COM引脚与参考地GND1相连。

图2a所示的电路，其具体的工作原理为：

当开关管Q1导通时，V_DC≈V_out，V_out用于给电机供电。

限流检测电路101中的Ra、Rb为分流器的等效电阻，在正常供电时可检测第一电阻R1的电压，以此来确定此时流过电阻Ra、Rb的电流之和。如图2a中所示，当开关管Q1导通时，设R1两端电压为V1，流过电阻Ra、Rb的电流之和越大则电压V1越小；其中参考信号Vf1是直流电源电压V_DC的分压值，当电阻流过Ra、Rb电流之和达到阈值Ip时，说明此时电机处于堵转状态，再根据阈值Ip对参考信号Vf1的大小进行设置。

然后，由信号处理电路102将差值(Vf1-V1)进行差分放大后得到电压V2，并将该电压V2输出至比较电路103的输入端负极。

比较电路103将信号处理电路102的输出信号V2与预设基准信号Vf2进行比较；并且，当Vf2＞V2时，比较器Q3输出电压为高电平(即电压VCC1)，为保护驱动电路104提供高电平的输出信号；当Vf2＜V2时，比较器Q3输出电压为低电平。

在保护驱动电路104中，若比较器Q3输出高电平电压为VCC1，则第一光耦E1导通；而当第一光耦E1导通时，驱动芯片N1的HIN引脚被拉低；此时，开关管Q1的删源电压不满足导通条件，则开关管Q1将自动关闭，切断电机的供电电路，实现对于电机的限流保护。

而如果比较器Q3输出电压为低电平，则第一光耦E1不导通，驱动芯片N1的HIN引脚输出信号为高电平，开关管Q1保持持续导通状态，为电机供电。

另外，上述拓扑中的限流检测电路101也可以为：电流互感器(如图2b所示)；

此时，开关管Q1的输出端穿过电流互感器为电机供电，输出电压为V_out；电流互感器的输出端正极与信号处理电路102的输入端正极相连；电流互感器的输出端负极与信号处理电路102的输入端负极相连。

关于限流检测电路101的结构组成，具体可以视其应用环境而定，均在本申请的保护范围内。

而且，实际应用中，也可以采用三极管及其外围电路代替光耦来实现驱动，此处不做具体限定，视其应用环境而定，均在本申请的保护范围内。

此外，该驱动芯片N1可以为任意MOS管驱动芯片，此处也不做具体限定，视其应用环境而定，均在本申请的保护范围内。

其余原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。

值得说明的是，在实际应用中，电机旋转时可能会由于受到短暂的阻力而导致开关管Q1的输出出现短暂的过流，这种情况下该硬件限流保护电路同样会关断开关管Q1、切断对电机的供电，导致相应设备无法继续正常工作；但是实际情况是，如果不切断对电机的供电，在该短暂阻力消失后，电机仍然可以正常运行。

因此，为了避免此类情况发生，本实用新型另一实施例提供了另外一种电机的硬件限流保护电路，参见图3：

其限流检测电路101包括：分流器、第一电阻R1、第二电阻R2及第一电容C1；

其比较电路103包括：比较器Q3、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第四电容C4、第五电容C5及第六电容C6；

其保护驱动电路104包括：第一光耦E1、驱动芯片N1、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第七电容C7、第八电容C8及第一二极管D1；

或者，该限流检测电路101也可以为电流互感器(参见图2b)；且实际应用中，也可以采用三极管及其外围电路代替光耦来实现驱动；同时，驱动芯片N1可以为任意MOS管驱动芯片。此处均不做具体限定，视其应用环境而定，均在本申请的保护范围内。

各个电路内部及各个电路之间具体的连接关系与图2a或者图2b所示实施例相同，此处不再一一赘述。

本实施例相比于图2a和图2b所示的实施例，优选的，其信号处理电路102为积分电路，而不是比例电路；具体体现在图2a和图2b所示信号处理电路102中的电阻R16更换为图3中的第三电容C3(图3以在图2a为例的基础上进行区别展示)。

本实施例中，当短时间内出现堵转时，积分电路通过第三电容C3进行积分反馈检测，只有当堵转时间达到积分时间常数τ时，比较器Q2的放大输出电压才能达到比较电路103中比较器Q3的动作条件，从而通过保护驱动电路104关断开关管Q1。

本实施例在上述实施例的基础之上，通过积分电路的设置使得该硬件限流保护电路能够允许电机出现较短时间的堵转，比如电机因遇到较大阻力而缓慢旋转的情况下，当其电流超过某一阈值、且超过的时间累计达到另一阈值时，该硬件限流保护电路才会对电机实现断电保护。

另外，实际应用中，还可以用比例积分电路替代图3中的积分电路，如图4所示：

在第三电容C3的两端并联一个电阻R17；此时，多加入的比例电路只是影响了反馈响应时间设置值，积分电路原理相同，此处不再赘述。

关于信号处理电路102的具体实现形式，此处不做限定，可以视其应用环境而定，均在本申请的保护范围内。

其余结构及原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。

本实用新型另一实施例还提供了另外一种电机的硬件限流保护电路，在上述实施例及图1至图3的基础之上，优选的，该电机的硬件限流保护电路还包括：声光告警电路105；声光告警电路105的输入端与比较电路103的输出端相连。

参见图2a和图3，该声光告警电路105包括：第二光耦E2、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、三极管Q4、第二二极管D2、指示灯L1及蜂鸣器M1；其中：

第二光耦E2的正极为声光告警电路105的输入端；

第二光耦E2的负极通过第十二电阻R12与参考地GND1相连；

第二光耦E2的集电极与第一电源(电压为VCC1)相连；

第二光耦E2的发射极与第十三电阻R13的一端及三极管Q4的基极相连；

第十三电阻R13的另一端与参考地GND1相连；

三极管Q4的集电极通过第二二极管D2与第一电源(电压为VCC1)相连；

三极管Q4的发射极通过第十四电阻R14与参考地GND1相连；

蜂鸣器M1的两端分别与第二二极管D2的正极和负极相连；

指示灯L1的正极与第二二极管D2的负极相连；

指示灯L1的负极通过第十五电阻R15与参考地GND1相连。

当比较器Q3的输出信号为高电平时，说明此时电机已经产生堵转现象，此高电平的输出信号将使得第二光耦E2导通。

由于光耦驱动能力弱(电流小)，故加入三极管Q4驱动电路为指示灯L1和蜂鸣器M1供电。当第二光耦E2导通时，三极管Q4导通，此时指示灯L1和蜂鸣器M1工作，进行声光告警。

其余结构和原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。

本实用新型中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制。虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围内。