一种无刷电机启动短路检测电路及检测方法与流程

本发明涉及无刷电机控制领域，尤其涉及一种无刷电机启动短路检测电路及检测方法。

背景技术：

无刷直流电机既具有交流电机的结构简单、运行可靠和维护方便等一系列优点，又具备直流电机的运行效率高、调速性能好、启动转矩较大等特点，在航空、航天、家电和交通等诸多领域都得到了广泛的应用。

无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品，电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，在配合驱动器的工作下，比传统异步电机有能效高、噪声低、扭力大等等的特点。

但是，人们在应用过程中发现，无刷电机的相间短路对驱动器损伤极大，如果驱动器的短路保护不及时的话，很可能造成板子的烧毁，严重时甚至会导致火灾的发生。在现有技术中，主要使用三极管或单独使用运放放大电流来用于判断电机短路问题，但存在有读取电流准确度欠佳以及保护延时无法准确控制的缺陷。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明提供了一种无刷电机启动短路检测电路及检测方法，能够在电机启动前，有效的检测相间短路，同时快速响应，实现软件或硬件短路延时，短路电流可使用外围硬件做准确控制，提高检测精度，实现高精度保护。

为了解决上述技术问题，本发明提供的具体方案如下：

一种无刷电机启动短路检测电路，包括电源单元、稳压电路、mcu控制芯片、半桥驱动电路、母线电流检测电路和电机；

所述稳压电路、母线电流检测电路和半桥驱动电路分别连接mcu控制芯片，所述电源单元和半桥驱动电路分别连接稳压电路，所述半桥驱动电路连接逆变电路，所述逆变电路连接电机；

所述逆变电路与母线电流检测电路之间连接有采样单元。

可选的，所述电源单元与稳压电路之间还连接有电容c1。

可选的，所述采样单元包括电阻r5。

可选的，所述逆变电路包括功率器件q1、q2、q3、q4、q5和q6，所述功率器件q1和q4串联，所述功率器件q2和q5串联，所述功率器件q3和q6串联。

可选的，所述母线电流检测电路包括电压比较器u1、运算放大器u2、电阻r1、r2、r3、r4、r6、r7和r8、电容c2、c3和c4；

所述电压比较器u1的第一引脚连接mcu控制芯片，电压比较器u1的第二引脚分别连接电容c2、电阻r1和电阻r2，所述电阻r2和电容c2并联后接地，所述电阻r1的另一端连接电源，电压比较器u1的第三引脚分别连接运算放大器u2的第一引脚、电阻r8和电容c4，所述电阻r8和电容c4并联后的公共端连接运算放大器u2的第二引脚，运算放大器u2的第二引脚连接电阻r6，所述电阻r6的另一端分别连接电阻r7和电容c3，所述电容c3的另一端分别连接电阻r3和r4，所述电阻r3的另一端连接运算放大器u2的第三引脚，所述电阻r4的另一端连接电阻r5，所述电阻r5的另一端分别连接电阻r7和接地。

可选的，所述采样单元包括并联连接的电阻r011、r012和r013。

可选的，所述母线电流检测电路包括电压比较器u1、运算放大器u2、电阻r01、r02、r03、r04、r05、r06、r08、r09和r10、电容c2、c3和c4；

所述电压比较器u1的第一引脚连接mcu控制芯片，电压比较器u1的第二引脚分别连接电容c2、电阻r01和电阻r02，所述电阻r02和电容c2并联后接地，所述电阻r01的另一端连接电源，电压比较器u1的第三引脚分别连接运算放大器u2的第一引脚、电阻r08和电容c4，所述电阻r08和电容c4并联后的公共端连接运算放大器u2的第二引脚，运算放大器u2的第二引脚连接电阻r05，所述电阻r05的另一端分别连接电阻r06和电容c3，所述电容c3的另一端分别连接电阻r03、r04、r09和r10，所述电阻r03的另一端连接运算放大器u2的第三引脚，所述电阻r04的另一端连接电阻r011，所述电阻r09的另一端连接电阻r012，所述电阻r10的另一端连接电阻r013。

可选的，所述电阻r04、r09和r010的阻值相同；所述电阻r011、r012和r013的阻值相同。

本发明还提供了一种应用于如权利要求1所述的无刷电机启动短路检测方法，包括以下步骤：

mcu控制芯片接收到电机启动信号后，依次控制开启逆变电路中的各相对应的功率器件，每次开启时长为t1；

依次检测开启各相对应的功率器件时的母线电流大小是否达到预设短路保护电流阈值，每次检测时长为t2，所述t1大于t2；

上述任何一次检测到母线电流大小达到预设短路保护电流阈值时，则mcu控制芯片关断逆变电路中的所有功率器件，并判定为相间短路。

可选的，所述检测方法还包括：

若上述所有检测中母线电流大小均未达到预设短路保护电流阈值时，mcu控制芯片关断逆变电路中的所有功率器件，开始转子强制定位步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明能够在电机启动前，有效的检测相间短路，同时快速响应，实现软件或硬件短路延时，短路电流可使用外围硬件做准确控制，提高检测精度，实现高精度保护。

附图说明

图1为本发明实施例中的一种无刷电机短路检测电路简要框图。

图2为本发明实施例中的母线电流检测电路图。

图3为本发明另一实施例中的电路简要框图。

图4为本发明另一实施例中的母线电流检测电路图。

图5为本发明实施例中的一种无刷电机启动短路检测方法流程图。

图6为本发明实施例中的短路保护硬件逻辑关系图。

具体实施方式

为了详细说明本发明的技术方案，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。

除非另有定义，本文所使用的的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/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。

例如，一种无刷电机启动短路检测电路，包括电源单元、稳压电路、mcu控制芯片、半桥驱动电路、母线电流检测电路和电机；所述稳压电路、母线电流检测电路和半桥驱动电路分别连接mcu控制芯片，所述电源单元和半桥驱动电路分别连接稳压电路，所述半桥驱动电路连接逆变电路，所述逆变电路连接电机；所述逆变电路与母线电流检测电路之间连接有采样单元。

本实施例能够在电机启动前，有效的检测相间短路，同时快速响应，达到预期的短路保护设置，提高无刷电机的使用寿命。

在一些实施例中，如图1所示，提供一种无刷电机启动短路检测电路，包括电源单元、稳压电路、mcu控制芯片、半桥驱动电路、母线电流检测电路和电机；其中，稳压电路、母线电流检测电路和半桥驱动电路分别连接mcu控制芯片，电源单元和半桥驱动电路分别连接稳压电路，半桥驱动电路连接逆变电路，逆变电路连接电机；逆变电路与母线电流检测电路之间连接有采样单元。

具体的，电源单元可以使用电池或ac转dc电源提供供电，稳压电路在负载发生改变或输入电网电压波动时仍能保持输出电压基本不变，防止电压波动引起电器异常或者故障，给整个电路系统提供稳定的运行电压，确保使用稳定性，半桥驱动电路连接mcu控制芯片，mcu控制芯片通过信号输出控制半桥驱动电路，半桥驱动电路连接逆变电路，用于控制开启和关闭逆变电路中的功率器件，逆变电路包括功率器件q1、q2、q3、q4、q5和q6，功率器件q1和q4串联，功率器件q2和q5串联，功率器件q3和q6串联，逆变电路连接电机，对电机进行驱动。母线电流检测电路采集采样单元的压降，并通过换算得到母线电流大小，如果电机处于短路的状态，那么母线电流将达到预设的短路保护电流阈值，母线电流检测电路会反馈一个电平信号到mcu控制芯片，从而触发mcu控制芯片关断所有功率器件，并将短路标志置1，从而达到保护作用。

在一些实施例中，电源单元与稳压电路之间还连接有电容c1，电容c1的两端均分别与电源单元、稳压电路连接，电容c1用于稳定电压，提供稳定的电源。

在一些实施例中，如图2所示，采样单元包括电阻r5，母线电流检测电路包括电压比较器u1、运算放大器u2、电阻r1、r2、r3、r4、r6、r7和r8、电容c2、c3和c4；电压比较器u1的第一引脚连接mcu控制芯片，电压比较器u1的第二引脚分别连接电容c2、电阻r1和电阻r2，电阻r2和电容c2并联后接地，电阻r1的另一端连接电源，电压比较器u1的第三引脚分别连接运算放大器u2的第一引脚、电阻r8和电容c4，电阻r8和电容c4并联后的公共端连接运算放大器u2的第二引脚，运算放大器u2的第二引脚连接电阻r6，电阻r6的另一端分别连接电阻r7和电容c3，电容c3的另一端分别连接电阻r3和r4，电阻r3的另一端连接运算放大器u2的第三引脚，电阻r4的另一端连接电阻r5，电阻r5的另一端分别连接电阻r7和接地。

母线电流检测电路采样电阻r5的压降，通过电阻r5的阻值换算出母线电流大小，经过运算放大器u2，将电流信号放大(1+(r3+r4)/r8)倍后输出到电压比较器u1的同相端上，比较器反相端为预设的短路保护电压点，由r1/r2分压提供。具体短路电流id计算公式为：id=((vcc*r1/(r1+r2))/(((1+r8/(r3+r4))*r5)。其中，电容c3可用于调节短路输入噪声的滤波，电容c4用于高通滤波以及防止自激振荡，该种短路识别电路普遍适用于foc矢量控制与bldc方波控制方案。

在一些实施例中，如图3和图4所示，采样单元包括并联连接的电阻r011、r012和r013，母线电流检测电路包括电压比较器u1、运算放大器u2、电阻r01、r02、r03、r04、r05、r06、r08、r09和r10、电容c2、c3和c4；电压比较器u1的第一引脚连接mcu控制芯片，电压比较器u1的第二引脚分别连接电容c2、电阻r01和电阻r02，电阻r02和电容c2并联后接地，电阻r01的另一端连接电源，电压比较器u1的第三引脚分别连接运算放大器u2的第一引脚、电阻r08和电容c4，电阻r08和电容c4并联后的公共端连接运算放大器u2的第二引脚，运算放大器u2的第二引脚连接电阻r05，电阻r05的另一端分别连接电阻r06和电容c3，电容c3的另一端分别连接电阻r03、r04、r09和r10，电阻r03的另一端连接运算放大器u2的第三引脚，电阻r04的另一端连接电阻r011，电阻r09的另一端连接电阻r012，电阻r10的另一端连接电阻r013。其中，电阻r04、r09和r010的阻值相同；所述电阻r011、r012和r013的阻值相同。

电路经过逆变电路驱动电机，其中，r04=r09=r010，r011=r012=r013，母线电流检测电路采集电阻r011、r012和r013的压降，通过电阻r011、r012和r013的阻值换算出母线电流大小，经过电阻r04、r09和r010分压后，再经运算放大器u2，将电流信号放大(1+r08/(r05+r06))倍后输出到电压比较器u1的同相端上，电压比较器u1反相端为预设的短路保护电压点，由r5/r6分压提供。

具体短路电流id计算公式如下(以uv相短路为例)：id=((vcc*r1/(r1+r2))/(((1+r8/(r3+r4))*r5)。

其中，电容c3可用于调节短路输入噪声的滤波，电容c4用于高通滤波以及自激振荡。该种短路识别电路普遍适用于foc矢量控制与bldc方波控制方案。

在一些实施例中，如图5所示，提供一种无刷电机启动短路检测方法，包括以下步骤：

mcu控制芯片接收到电机启动信号后，依次控制开启逆变电路中的各相对应的功率器件，每次开启时长为t1；

依次检测开启各相对应的功率器件时的母线电流大小是否达到预设短路保护电流阈值，每次检测时长为t2，所述t1大于t2；

上述任何一次检测到母线电流大小达到预设短路保护电流阈值时，则mcu控制芯片关断逆变电路中的所有功率器件，并判定为相间短路。

在无刷直流电机无位置传感器的控制系统中，电机的启动与运转一般分为三个步骤：转子强制定位、强推加速和闭环控制。在转子强制定位的过程中，控制器通过导通电机其中的两相，强制的把电机转子拖动吸合到一个固定位置上。此时，mcu控制芯片控制开启功率器件中的其中一组，从而激励电机绕组产生磁场与转子上的永磁体产生吸合，最终拖动转子固定到特定位置。之后，再按特定的导通步骤开始强推加速，推动转子转动。但是，在实际的应用过程中，在转子强制定位转换到强推加速的过程中，经常发生相间短路导致的不良现象，严重的会烧坏开关器件。以上问题来源于在启动的过程中，为了使启动过程平滑和加速过程平顺，启动时的脉宽占空比高电平时间往往会比短路检测延时时间要短，在相间短路启动时母线电流检测线路即使检测到超过短路检测的电流，也达不到保护延时的时间，从而在每次功率器件开关的热量累积下，功率器件以及采样单元会被烧坏。

本实施例在无刷直流电机无位置传感器的控制系统中的三个步骤前，添加一步启动短路检测，具体过程如下：

mcu控制芯片接收到电机启动信号后，控制开启功率器件q1和q5，即uv相导通，开启时长t1大于短路检测时长t2，本实施例将开启时长控制在微秒级别，避免由于开启时长过长而影响作业效率，电机绕组被激励后产生电流，母线电流检测电路采集采样单元的压降，计算得到此时母线电流大小，如果此时母线电流大小达到预设短路保护电流阈值时，则说明电机处于短路的状态，母线电流检测电路会反馈一个电平信号到mcu控制芯片从而触发mcu控制芯片关断所有功率器件，并将短路保护标志置1，从而达到保护作用。

若在开启功率器件q1和q5时检测到的母线电流大小未达到预设短路保护电流阈值时，则关闭功率器件q1和q5，打开功率器件q1和q6，即uw相导通，开启时长t1大于短路检测时长t2，电机绕组被激励后产生电流，母线电流检测电路采集采样单元的压降，计算得到此时母线电流大小，如果此时母线电流大小达到预设短路保护电流阈值时，则说明电机处于短路的状态，母线电流检测电路会反馈一个电平信号到mcu控制芯片从而触发mcu控制芯片关断所有功率器件，并将短路保护标志置1，从而达到保护作用。

若在开启功率器件q1和q6时检测到的母线电流大小未达到预设短路保护电流阈值时，则关闭功率器件q1和q6，打开功率器件q2和q6，即vw相导通，开启时长t1大于短路检测时长t2，电机绕组被激励后产生电流，母线电流检测电路采集采样单元的压降，计算得到此时母线电流大小，如果此时母线电流大小达到预设短路保护电流阈值时，则说明电机处于短路的状态，母线电流检测电路会反馈一个电平信号到mcu控制芯片从而触发mcu控制芯片关断所有功率器件，并将短路保护标志置1，从而达到保护作用。

在一些实施例中，所述检测方法还包括：若上述所有检测中母线电流大小均未达到预设短路保护电流阈值时，mcu控制芯片关断逆变电路中的所有功率器件，开始转子强制定位步骤。

具体的，若在依次检测过程中，母线电流大小均未达到预设短路保护电流阈值时，则说明电路并未发生短路状况，则mcu控制芯片关断逆变电路中的所有功率器件，开始转子强制定位步骤，再转换到强推加速步骤以及闭环控制步骤。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围，因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。