一種用於電機驅動的高端過流保護電路拓撲結構的製作方法

2023-08-13 00:24:37 1

本發明涉及電機驅動控制技術領域，具體涉及一種用於電機驅動的高端過流保護電路拓撲結構。

背景技術：

在電機驅動控制電路中，過電流故障是一種常見的故障，因此過電流保護技術是保證系統可靠工作的一項關鍵技術。高端過流保護電路作用是當電機系統出現過大電流時，該電路將高端取樣電阻採集的高共模電壓浮地過流信號轉換對地的低壓信號，該低壓信號通過比較電路去關斷電機驅動信號，從而保護電機及驅動控制電路。過流保護已廣泛用於各種類航空、航天、兵器、船舶、電子等高可靠領域。目前，一些低端過流保護電路無法滿足不同的過流保護場合，而有些高端過流保護電路無法滿足高共模電壓的場合，限制其應用範圍。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種用於電機驅動的高端過流保護電路拓撲結構，能夠針對在電機驅動電路中不同過電流場合實現對電機及電機驅動控制電路的保護。

為實現上述目的，本發明採用了以下技術方案：

一種用於電機驅動的高端過流保護電路拓撲結構，包括取樣電路、恆流源電路、穩壓電路、高端電壓轉電流電路及電流轉對地電壓電路，所述取樣電路的輸入端與電機用功率電源輸出正端相連，其輸出端與電機驅動橋電路相連，所述恆流源電路的輸出端與穩壓電路的輸入端相連，其輸入端接地，所述穩壓電路的輸出端分別與高端電壓轉電流電路、取樣電路的輸入端相連，所述高端電壓轉電流電路的輸出端與電流轉對地電壓電路的輸入端相連，所述電流轉對地電壓電路的輸出端與比較器N1的同相輸入端相連。

所述取樣電路採用取樣電阻Rs，所述採樣電阻Rs的一端與電機用功率電源輸出正端相連，其另一端與電機驅動橋電路相連。

所述穩壓電路採用穩壓管V1，所述穩壓管V1的正極端與恆流源電路相連，其負極端分別與高端電壓轉電流電路、取樣電路的輸入端相連。

所述電流轉對地電壓電路包括二極體V4及與二極體V4並聯的電阻R1和電容C1，所述二極體V4的正極端接地，其負極端分別與比較器N1的同相輸入端、高端電壓轉電流電路的輸出端相連。

所述高端電壓轉電流電路包括三極體V2、MOS管V3，所述三極體V2的基極經電阻Rb與取樣電路的輸出端相連，其發射極經電阻Re分別與穩壓電路的輸出端、取樣電路的輸入端相連，其集電極與MOS管的源極相連，MOS管的柵極與穩壓電路的輸入端相連，其漏極與電流轉對地電壓電路的輸入端相連。

所述高端電壓轉電流電路採用差分放大器電路，所述差分放大器電路包括差動放大器U1，所述差動放大器U1的同相輸入端經電阻R2與取樣電路的輸出端相連，其反向輸入端經電阻R3與取樣電路的輸入端相連，差動放大器U1的輸出端與電流轉對地電壓電路的輸入端相連，差動放大器U1的反向輸入端經電阻R4與其輸出端相連。

所述高端電壓轉電流電路採用電流檢測放大電路，所述電流檢測放大電路包括差動放大器U2，所述差動放大器U2的同相輸入端經電阻R5與取樣電路輸出端相連，其反向輸入端經電阻R6與取樣電路的輸入端相連。

所述差動放大器U1的型號為INA117。

所述差動放大器U2的型號為AD8210。

由上述技術方案可知，本發明所述電機驅動高端過流保護電路拓撲結構，通過高端電壓轉電流電路實現了對高共模浮地信號轉對地小電壓信號的轉化，大大提高了系統的可靠性和穩定性。

附圖說明

圖1是本發明的第一種實施方式的電路圖；

圖2是本發明的第二種實施方式的電路圖；

圖3是本發明的第三種實施方式的電路圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步說明：

實施例1

如圖1所示，本實施例的用於電機驅動的高端過流保護電路拓撲結構，包括取樣電路1、恆流源電路2、穩壓電路3、高端電壓轉電流電路4及電流轉對地電壓電路5，取樣電路1的輸入端與電機用功率電源輸出正端相連，其輸出端與電機驅動橋電路6相連，恆流源電路2的輸出端與穩壓電路3的輸入端相連，其輸入端接地，穩壓電路3的輸出端分別與高端電壓轉電流電路4、取樣電路1的輸入端相連，高端電壓轉電流電路4的輸出端與電流轉對地電壓電路5的輸入端相連，電流轉對地電壓電路5的輸出端與比較器N1的同相輸入端相連。

本實施例中，取樣電路1採用取樣電阻Rs，穩壓電路3採用穩壓管V1，電流轉對地電壓電路5採用二極體V4及與二極體V4並聯的電阻R1和電容C1，高端電壓轉電流電路4採樣三極體V2、MOS管V3；採樣電阻Rs的一端與電機用功率電源輸出正端相連，其另一端與電機驅動橋電路6相連；穩壓管V1的正極端與恆流源電路2相連，其負極端分別與高端電壓轉電流電路4、取樣電阻Rs的電源端相連。二極體V4的正極端接地，其負極端分別與比較器N1的同相輸入端、MOS管的漏極相連；三極體V2的基極經電阻Rb連接在取樣電阻Rs和驅動橋電路6之間，三極體V2的發射極經電阻Re分別與穩壓管V1的負極端、採樣電阻Rs的電源端相連，MOS管的柵極與穩壓管V1的正極端相連，MOS管的漏極與二極體V2的負極相連，MOS管的源極與三極體V2的集電極相連，二極體V4的陽極接地，比較器N1的同相輸入端連接在二極體V4與電阻R1、電容C1的節點處。本實施例中PNP三極體的型號為MPSA94，MOS管型號分別為VP0550。

本實施例利用三極體V2集電極電流隨基極與發射極電壓控制實現，當三極體V2 發射極e與基極b電壓大於約0.6V後，三極體V2集電極c與發射極導通，此時，PMOS管V3源極s電壓接近電機功率電源電壓+Vs，而PMOS管柵極G由於穩壓管的作用電壓小於功率電壓電壓+Vs，因此，PMOS管源極s電壓大於柵極g電壓，從而PMOS管導通，這樣就與電流轉對地電壓電路形成迴路，受三極體V2 發射極e與基極b電壓控制的電流會在電流轉對地電壓電路上形成一個對地的低壓小信號，該低壓信號就可以通過比較電路去關斷驅動橋的驅動信號。

流過電機負載的電流通過功率電源VS、取樣電阻Rs、驅動橋電路、電機負載，最終到功率電源地的，根據歐姆定律，取樣電阻Rs可以將流過電機負載的電流轉換成電壓信號，由於同時取樣電阻高端（接功率電源VS）通過電阻Re連接到三極體V2的發射極e，取樣電阻低端（接驅動橋電路）通過電阻Rb連接到三極體V2的基極b，當流過電機的電流在取樣電阻形成的電壓大於二極體導通壓降0.3V～0.4V，即三極體V2 發射極e與基極b電壓大於約0.3V～0.4V後，根據三極體的工作原理，三極體V2集電極c與發射極e導通，此時，PMOS管V3源極s電壓接近電機功率電源電壓+Vs，而PMOS管柵極G由於穩壓管V1（其中，恆流源電路為穩壓管V1的工作提供偏置電流，使得穩壓管V1 正常工作穩壓）的作用電壓小於功率電壓電壓+Vs，因此，PMOS管源極s電壓大於柵極g電壓，根據P溝道MOS管的工作原理，此時PMOS管導通，這樣，受三極體V2 發射極e與基極b電壓（也即取樣電阻兩端電壓）控制的三極體集電極電流從功率電源Vs開始經過電阻Re、三級管V2、再通過PMOS管V3，再經過電流轉對地電壓電路中的R1（C1用於濾波，穩壓管V2用於限制電壓幅度）後與地形成迴路，同時會在電流轉對地電壓電路上形成一個對地的低壓小信號，該低壓小信號電壓連接到比較器N1的正端（+），當該電壓值大於比較器N1負端（-）+Vref參考電壓時，比較器N1輸出翻轉為高電平（電壓值接近比較器工作電壓），比較器N1輸出連接到驅動晶片的關斷端，使得驅動晶片被關斷無法輸出驅動信號到驅動橋電路，因此驅動橋電路也無輸出，這樣功率電源VS的電流將無法輸出到電機負載，從而保護電機出現過流現象。

實施例2

如圖2所示，本實施例除了高端電壓轉電流電路4的電路圖與實施1的不同，其他電路結構均相同，本實施例的高端電壓轉電流電路4採用差分放大器電路，該差分放大器電路由差動放大器U1與電阻網絡組成，該差動放大器U1的同相輸入端經電阻R2連接在取樣電阻Rs與驅動橋電路之間的節點處，差動放大器U1的反向輸入端經電阻R3與取樣電阻Rs的電源端相連，差動放大器U1的輸出端與二極體V2的負極端相連，差動放大器U1的反向輸入端經電阻R4與其輸出端相連。本實施例中該差動放大器的型號為INA117。

通過取樣電阻Rs轉換成的高共模浮地電壓信號通過具有高共模電壓抑制比的通用差動放大器U1和電阻網絡組成的差分電路變成了對地的低壓小信號，該低壓信號就可以通過比較電路去關斷驅動橋電路6的驅動信號。

流過電機負載的電流是通過功率電源VS、取樣電阻RS、驅動橋電路、電機負載，最終到功率電源地的，根據歐姆定律，取樣電阻RS可以將流過電機負載的電流轉換成電壓信號；取樣電阻的高端（接功率電源VS）、低端（接驅動橋電路）的電壓值均接近功率電源VS電壓，為高共模浮地電壓信號，但兩者的電壓差為低電壓信號，通過採用高共模電壓抑制比的通用差動放大器U1以及四個電阻組成的差分放大電路對該高共模浮地電壓信號進行放大後，與電流轉對地電壓電路（R1為U1輸出電壓提供電流迴路，C1用於濾波，穩壓管V2用於限制電壓幅度）一起轉化成對地的低壓小信號，該低壓小信號電壓連接到比較器N1的正端（+），當該電壓值大於比較器負端（-）+Vref參考電壓時，比較器N1輸出翻轉為高電平（電壓值接近比較器工作電壓），比較器N1輸出連接到驅動晶片的關斷端，使得驅動晶片被關斷無法輸出驅動信號到驅動橋電路，因此驅動橋電路也無輸出，這樣功率電源VS的電流將無法輸出到電機負載，從而保護電機出現過流現象。

實施例3

如圖3所示，本實施例除了高端電壓轉電流電路4的電路圖與實施1的不同，其他電路結構均相同，本實施例的高端電壓轉電流電路4採用電流檢測放大電路，該電流檢測放大電路採用型號為AD8210的差動放大器U2，該差動放大器U2的同相輸入端經電阻R5連接在取樣電阻Rs與驅動橋電路之間的節點處，其反向輸入端經電阻R6與取樣電阻Rs的電源端相連，該差動放大器U2的輸出端與二極體V2的負極端相連。

通過取樣電阻Rs轉換成的高共模浮地電壓信號,再通過專用的電流檢測放大器電路變成了對地的低壓小信號，該低壓信號就可以通過比較電路去關斷驅動橋的驅動信號。

流過電機負載的電流是通過功率電源VS、取樣電阻RS、驅動橋電路、電機負載，最終到功率電源地的，根據歐姆定律，取樣電阻RS可以將流過電機負載的電流轉換成電壓信號；取樣電阻的高端（接功率電源VS）、低端（接驅動橋電路）的電壓值均接近功率電源VS電壓，為高共模浮地電壓信號，但兩者的電壓差為低電壓信號，該地電壓信號通過專用的電流檢測放大器電路（無需4個電阻，內部集成專用電路）放大後，與電流轉對地電壓電路（R1為U1輸出電壓提供電流迴路，C1用於濾波，穩壓管V2用於限制電壓幅度）一起轉化成對地的低壓小信號，該低壓小信號電壓連接到比較器N1的正端（+），當該電壓值大於比較器負端（-）+Vref參考電壓時，比較器N1輸出翻轉為高電平（電壓值接近比較器工作電壓），比較器N1輸出連接到驅動晶片的關斷端，使得驅動晶片被關斷無法輸出驅動信號到驅動橋電路，因此驅動橋電路也無輸出，這樣功率電源VS的電流將無法輸出到電機負載，從而保護電機出現過流現象。

以上所述的實施例僅僅是對本發明的優選實施方式進行描述，並非對本發明的範圍進行限定，在不脫離本發明設計精神的前提下，本領域普通技術人員對本發明的技術方案作出的各種變形和改進，均應落入本發明權利要求書確定的保護範圍內。