本發(fā)明涉及一種電機堵轉(zhuǎn)保護方法及電路，尤其涉及一種無刷直流電機快速堵轉(zhuǎn)保護方法及電路。

背景技術(shù)：

無刷直流電機是指無電刷和換向器(或集電環(huán))并采用直流電源驅(qū)動的電機，一般由電動機主體和內(nèi)部集成驅(qū)動器組成，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品，其具有傳統(tǒng)直流電機的優(yōu)點，同時又取消了碳刷、滑環(huán)結(jié)構(gòu)，不產(chǎn)生火花，工作可靠，壽命長，被廣泛應(yīng)用于汽車、工具、工業(yè)控制以及航空航天等領(lǐng)域，在自動門窗控制上也發(fā)揮出較大優(yōu)勢。

但是，無刷直流電機應(yīng)用于自動門窗及相關(guān)控制領(lǐng)域時，當(dāng)機械裝置運動到限位或運行中遇到障礙物而堵轉(zhuǎn)時，如不及時、迅速地閉鎖電機并撤銷輸出轉(zhuǎn)矩，則不僅會造成電機及機械裝置的損壞，而且可能會對使用者造成人身傷害，如身體擠壓、夾傷等。一般的機械限位保護裝置采用了機械式接近開關(guān)，但接近開關(guān)工作壽命有限，啟動速度慢，且不能保護機械裝置運行途中的堵轉(zhuǎn)；而且經(jīng)發(fā)明人試驗，一般的電子保護裝置(包括電機內(nèi)部集成驅(qū)動器的過流保護電路)難以實現(xiàn)對自動門窗控制用無刷直流電機的快速堵轉(zhuǎn)保護，無法滿足安全性、可靠性要求。

一般帶內(nèi)部集成驅(qū)動器的無刷直流電機由5根引線進行控制，分別是電源線V+(紅色)、地線GND(黑色)、方向控制線CW/CCW(黃色，高電平正轉(zhuǎn)，低電平反轉(zhuǎn))、控制調(diào)速線PWM(高電平禁止、低電平使能)、測速脈沖信號線PUSLE(綠色)。已有的一些有刷直流電機電子保護裝置采用了過流觸發(fā)保護，斷開電源，反向通電解鎖保護的模式，而從無刷直流電機的控制引線的構(gòu)成和控制方式上可見，無刷直流電機電源線V+和地線GND不能反向通電，所以該模式無法適用于無刷直流電機保護，而本發(fā)明考慮采用的模式是過流觸發(fā)保護，方向控制線CW/CCW翻轉(zhuǎn)解鎖保護的保護模式。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是提供一種無刷直流電機快速堵轉(zhuǎn)保護方法及電路，如圖1所示，將該電路模塊接入控制器和無刷直流電機之間，無刷直流電機在任何情況發(fā)生堵轉(zhuǎn)時，均能以小于100μs的啟動時間對電機進行快速保護，撤銷輸出轉(zhuǎn)矩，閉鎖電機，直至方向控制信號發(fā)生翻轉(zhuǎn)時解鎖電機，從而提高自動門窗等機械裝置的運行安全性。

為了解決所述技術(shù)問題，該方法由模擬及數(shù)字電路實現(xiàn)堵轉(zhuǎn)電流檢測、保護動作、保護解鎖等功能，如圖2所示，具體由電流取樣、信號放大、閾值設(shè)置及比較、RS觸發(fā)器、保護閉鎖、保護解鎖等部分組成，其中，保護解鎖部分又由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、上電復(fù)位電路、與非門等邏輯電路構(gòu)成。

如圖2所示，該方法通過接在直流無刷電機電源回路的電阻對電機驅(qū)動電流進行取樣，并經(jīng)過模擬信號放大及比較器，與保護閾值電壓比較后產(chǎn)生保護觸發(fā)信號，保護觸發(fā)信號被接至RS觸發(fā)器S端，另有保護解鎖信號接至RS觸發(fā)器R端。保護電路的具體工作原理和過程是：

a、系統(tǒng)上電復(fù)位后，RS觸發(fā)器Q端處于0狀態(tài)，電機正常工作；

b、而當(dāng)電機堵轉(zhuǎn)后，其電流迅速升高，經(jīng)由電流取樣及放大后的信號與保護閾值進行比較后輸出高電平將RS觸發(fā)器Q端置1，無刷電機PWM信號被閉鎖，輸出轉(zhuǎn)矩被撤銷，迅速達到堵轉(zhuǎn)保護。

如圖2所示，該方法的保護解鎖邏輯電路將控制器輸出的換向CW/CCW信號經(jīng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器作用后產(chǎn)生解鎖觸發(fā)脈沖，并與上電復(fù)位信號與非后輸出解鎖信號到RS觸發(fā)器S端，解鎖電路的具體工作原理及過程是：

a、當(dāng)換向信號CW/CCW保持不變時，雖然電機電流變?yōu)?，但由于RS觸發(fā)器的狀態(tài)保持特性，無刷電機PWM信號仍保持閉鎖狀態(tài)；

b、而當(dāng)換向信號CW/CCW發(fā)生翻轉(zhuǎn)式時，由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生約20ms寬度復(fù)位脈沖，并將RS觸發(fā)器置0，使得保護解鎖，電機處于正常工作狀態(tài)。

所以，根據(jù)以上保護和解鎖原理及過程，該電路能夠?qū)崿F(xiàn)電機前向運行發(fā)生堵轉(zhuǎn)時，可以快速被保護并保持閉鎖狀態(tài)(此時控制器如發(fā)出同向運行指令是無效的)，而控制器發(fā)出反向運行指令時可及時解鎖電機，使其恢復(fù)正常運行。

優(yōu)選的是，所述無刷直流電機快速堵轉(zhuǎn)保護電路中的閾值比較器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、RS觸發(fā)器、與非門及保護閉鎖電路均采用TTL電路實現(xiàn)，電平翻轉(zhuǎn)速度快，保護啟動時間小于100μs。

優(yōu)選的是，所述無刷直流電機快速堵轉(zhuǎn)保護方法及電路，其堵轉(zhuǎn)電流保護的啟動閾值按躲過電機最大啟動電流進行整定。

本發(fā)明至少包括以下有益效果：

(1)對無刷直流電機在任何情況發(fā)生的堵轉(zhuǎn)情況，均能快速啟動保護，撤銷輸出轉(zhuǎn)矩，閉鎖電機，啟動時間可在100μs以內(nèi)，從而提高自動門窗等機械裝置的運行安全性。

(2)采用純模擬及數(shù)字邏輯電路實現(xiàn)堵轉(zhuǎn)電流的采樣、信號放大、閉鎖邏輯及解鎖邏輯，無需采用CPU及計算機程序?qū)崿F(xiàn)相關(guān)功能，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。

(3)保護動作后，由于RS觸發(fā)器具有狀態(tài)保持功能，即使電流降為0，電機仍保持閉鎖，不會重復(fù)發(fā)生同向運行堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，保護可靠，但反向運行即可及時直接解鎖保護，使用方便。

(4)保護動作啟動電流閾值可以通過電位器調(diào)整，方便進行動作閾值的整定。

本發(fā)明的其它優(yōu)點、目標(biāo)和特征將部分通過下面的說明體現(xiàn)，部分還將通過對本發(fā)明的研究和實踐而為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述的無刷直流電機保護模塊的接入電機控制系統(tǒng)的接線方法示意圖。

圖2為本發(fā)明所述的無刷直流電機保護方法及電路的實現(xiàn)原理框圖。

圖3為本發(fā)明所述的無刷直流電機保護方法及電路的具體實施方案電路原理圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明，以令本領(lǐng)域技術(shù)人員參照說明書文字能夠據(jù)以實施。

應(yīng)當(dāng)理解，本文所使用的諸如“具有”、“包含”以及“包括”術(shù)語并不排除一個或多個其它元件或其組合的存在或添加。

本發(fā)明公開一種適用于無刷直流電機快速堵轉(zhuǎn)保護的方法及其實現(xiàn)電路。該方法采用純模擬及數(shù)字電路組成，其由電流取樣、信號放大、閾值設(shè)置及比較、RS觸發(fā)器、保護閉鎖、保護解鎖等部分組成，其中，保護解鎖部分又由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、上電復(fù)位電路、與非門等數(shù)字邏輯電路構(gòu)成。

該保護電路工作原理是：通過接在直流無刷電機電源回路的電阻對電機驅(qū)動電流進行取樣，并經(jīng)過模擬信號放大及比較器，與保護閾值電壓比較后產(chǎn)生保護觸發(fā)信號，保護觸發(fā)信號接至RS觸發(fā)器的S端，保護解鎖信號接至RS觸發(fā)器R端。系統(tǒng)上電復(fù)位后，RS觸發(fā)器處于0狀態(tài)，電機正常工作；而當(dāng)電機堵轉(zhuǎn)后，其電流迅速升高，經(jīng)由電流取樣及信號放大后的信號和保護閾值進行比較后輸出高電平將RS觸發(fā)器置1，電機PWM信號被閉鎖，迅速達到堵轉(zhuǎn)保護；當(dāng)換向信號發(fā)生翻轉(zhuǎn)式時，由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生復(fù)位脈沖，并將RS觸發(fā)器置0，使得保護及時解鎖，電機處于正常工作狀態(tài)。

如圖3所示為一種無刷直流電機快速堵轉(zhuǎn)保護的方法及電路的實例，即具體實施電路。該實例電路是一個對用于自動門窗控制的無刷直流電機實施快速保護的電路模塊。

所述電流取樣由圖3(b)中的1Ω電阻R6實現(xiàn)，其串聯(lián)在電源輸入網(wǎng)絡(luò)V+和輸出到電機的電源網(wǎng)絡(luò)VM之間，當(dāng)電機運行時電流流過R6，電流大小被轉(zhuǎn)換成電壓信號。

所述信號放大功能由3(b)中的U4即集成電流檢測放大器芯片INA282實現(xiàn)，該放大器將輸入到8端(+IN)和1端(-IN)之間的差動電壓放大50倍后從5端(OUT)輸出。

所述閾值設(shè)置及比較由3(b)中的10kΩ電位器R7及電壓比較器U5A即LM393構(gòu)成，通過調(diào)整電位器R7將保護動作閾值電壓輸入到LM393的2端(N端)，而檢測電壓輸入到LM393的3端(P端)，當(dāng)發(fā)生堵轉(zhuǎn)過流時，檢測電壓高于閾值電壓即U_P＞U_N，LM393的1端(OUT端)由低電平變?yōu)楦唠娖角以撾娖酵ㄟ^CURRENT_DETECT網(wǎng)絡(luò)輸出至RS觸發(fā)器的S端。

所述RS觸發(fā)器由兩個或非門74LS02單元構(gòu)成，即U3B和U3C，集成四或非門芯片U3的5即為RS觸發(fā)器的R端，U3的9腳為RS觸發(fā)器的S端，U3的6腳和10腳相連作為RS觸發(fā)器的輸出端，U3的8腳和4腳相連作為RS觸發(fā)器的輸出Q端。U3的9腳(S端)輸入為高時，Q端被置高，并保持高電平狀態(tài)；U3的5腳(R端)輸入為高時，Q端被置低，并保持低電平。

所述保護閉鎖電路由一個或非門74LS02單元U3D、電阻R4及R5、NPN型三極管Q1(9013)構(gòu)成，RS觸發(fā)器Q端輸出高電平至U3D的12腳時，其輸出端13腳被強制置為低電平，三極管Q1不導(dǎo)通，PWM_OUT輸出為高電平，電機運行被禁止，U3D的12腳輸入低電平時，其13腳的輸出由11腳的輸入信號PWM_IN決定，PWM_OUT輸出與調(diào)速控制信號PWM_IN波形一致，電機正常運行并按PWM_IN信號的占空比進行調(diào)速。

所述保護解鎖邏輯部分的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器由集成雙單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器芯片74LS123的兩個單元(U2A和U2B)、一個與非門單元U1A(74LS00)、一個或非門單元U3A(74LS02)及兩個5.1kΩ電阻R1和R2、兩個10μF電容C1和C2構(gòu)成。輸入的方向控制信號CW/CCW被分成兩路，一路信號經(jīng)過與非門單元U1A構(gòu)成的反相器(其1腳和2腳并聯(lián))后再輸入到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U2的1腳作為一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)單元的觸發(fā)信號源，另一路信號直接輸入到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U2的9腳作為另一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)單元的觸發(fā)信號源，R1、C1及R2、C2分別組成RC充放電網(wǎng)絡(luò)并分別接入到兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的6、7、14、15腳以及電源VCC間，為兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)單元提供延時，決定輸出單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)脈沖的寬度約為20ms，由兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)單元從各自的Q端(U2的13腳和5腳)輸出的脈沖經(jīng)一個或非門單元U3A(74LS02)作用后輸出一個約20ms的低電平脈沖，用于后繼電路產(chǎn)生RS觸發(fā)器復(fù)位信號。該電路可以達到的效果是：當(dāng)CW/CCW信號由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)單元U2B產(chǎn)生高電平脈沖，而當(dāng)CW/CCW信號由低電平變?yōu)楦唠娖綍r，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)單元U2A產(chǎn)生高電平脈沖，經(jīng)過U3A(74LS02)或非后使得CW/CCW信號發(fā)生任意翻轉(zhuǎn)都會在U3A(74LS02)輸出端產(chǎn)生一個低電平脈沖。

所述上電復(fù)位電路由5.1kΩ電阻R3及10μF電容C3串聯(lián)而成，所述電阻一端接至電源，電容一端接至地，串聯(lián)點接至所述與非門74LS00(U1B)的4腳，與上述U3A(74LS02)輸出端產(chǎn)生的低電平脈沖與非后輸出信號至所述RS觸發(fā)器的R端。R3和C3組成RC充放電網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)上電時，RC網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)點產(chǎn)生約20ms低電平，經(jīng)與非門作用后產(chǎn)生約20ms高電平復(fù)位脈沖，對RS觸發(fā)器進行復(fù)位；正常情況下，RC網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)點保持高電平，此時與非門74LS00(U1B)相當(dāng)于一個反相器，將U3A(74LS02)輸出端產(chǎn)生的低電平脈沖反相為高電平脈沖，施加到RS觸發(fā)器R端，可用于電機保護解鎖。

圖3(a)所示為一個由電源管理芯片TD1591、若干電阻、電容、二極管等器件構(gòu)成的小功率BUCK型開關(guān)電源，用于將輸入的無刷直流電機驅(qū)動電源V+降壓變換成本電路模塊中模擬及數(shù)字電路工作所需要的直流電源VCC。

采用所述具體實施電路實現(xiàn)相應(yīng)的堵轉(zhuǎn)保護及保護解鎖功能的工作過程如下：

a.系統(tǒng)上電后，與非門U1B產(chǎn)生約20ms高電平脈沖，RS觸發(fā)器被復(fù)位，其輸出Q端即U3B的4腳輸出低電平，PWM調(diào)速信號可正常輸出，電機可正常運行。

b.而當(dāng)電機堵轉(zhuǎn)后，其電流迅速升高，R6兩端電壓升高，經(jīng)過U4的50放大后電壓高于比較閾值，U5A的輸出信號CURRENT_DETECT由低變高，RS觸發(fā)器輸出Q端即U3B的4腳輸出高電平，U3D的13腳輸出低電平，三極管Q1不導(dǎo)通，PWM_OUT保持高電平，電機被禁止，輸出轉(zhuǎn)矩被撤銷，處于保護閉鎖狀態(tài)。

c.當(dāng)換向信號CW/CCW保持不變時，雖然堵轉(zhuǎn)電流變?yōu)?，U5A的輸出信號CURRENT_DETECT為低，但由于RS觸發(fā)器的保持特性，其輸出Q端即U3B的4腳保持高電平，無刷電機PWM信號保持閉鎖狀態(tài)；

d.而當(dāng)換向信號CW/CCW發(fā)生翻轉(zhuǎn)式時(上升沿或下降沿)，由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單元U2A或U2B產(chǎn)生約20ms高電平脈沖，U3A輸出低電平脈沖，U1B輸出高電平脈沖，將RS觸發(fā)器置0，輸出Q端即U3B的4腳輸出低電平，PWM調(diào)速信號可正常輸出，電機可正常運行，保護被解鎖。

盡管本發(fā)明的實施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實施方式中所列運用。它完全可以被適用于各種適合本發(fā)明的領(lǐng)域。對于熟悉本領(lǐng)域的人員而言可容易地實現(xiàn)另外的修改。因此在不背離權(quán)利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發(fā)明并不限于特定的細節(jié)和這里示出與描述的圖例。