一種直流電機(jī)繞組電流的采樣電路和采樣方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電機(jī)控制領(lǐng)域，具體涉及一種直流電機(jī)定子繞組電流的采樣電路和采樣方法，解決了已有的電流失控造成的直流電機(jī)和功率管損壞問題。
【背景技術(shù)】
[0002]由于成本低廉，傳統(tǒng)的直流電機(jī)(即有刷電機(jī))目前仍廣泛的應(yīng)用于智能小車、智能機(jī)器人等電子設(shè)備中，直流電動(dòng)機(jī)雖然比三相交流異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修也不便，但由于它的調(diào)速性能較好和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，因此，對(duì)調(diào)速要求較高的生產(chǎn)機(jī)械或者需要較大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的生產(chǎn)機(jī)械往往采用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固，工作可靠，效率高，其構(gòu)成的直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的交直流調(diào)速系統(tǒng)相比，具有很多優(yōu)點(diǎn)，如:調(diào)速性能好，調(diào)速范圍廣，易于平滑調(diào)節(jié)，起動(dòng)、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，易于快速起動(dòng)、停車，易于控制。直流電機(jī)在消費(fèi)類電子產(chǎn)品和科研上的應(yīng)用已經(jīng)取得了一些效果，還存在一些問題有待進(jìn)一步研宄解決，主要有電流控制、避免直通短路技術(shù)、驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)化等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
[0003]直流電動(dòng)機(jī)在調(diào)速控制系統(tǒng)中需要在運(yùn)行過程中對(duì)速度進(jìn)行控制。目前，大多數(shù)直流電機(jī)控制系統(tǒng)采樣的方案即是通過外部開環(huán)調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制PWM占空比來調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而沒有考慮對(duì)電機(jī)電流的控制，電機(jī)電流在運(yùn)行過程中，當(dāng)發(fā)生過載甚至堵轉(zhuǎn)等異常事件時(shí)，容易導(dǎo)致電流激增，造成直流電機(jī)或者功率管燒毀。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有的普通H全橋直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電路在電流檢測(cè)和電流控制的問題，提出了一種直流電機(jī)繞組電流的采樣電路和采樣方法，在H全橋的兩個(gè)下功率管和地之間分別串聯(lián)采樣電阻，將正、反兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向時(shí)的定子繞組電流分別轉(zhuǎn)換成大于OV的正電壓信號(hào)，繼而經(jīng)過低通濾波器濾波，各自傳輸給處理器CPU中的模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC模塊，由處理器CPU中的比較程序進(jìn)行判別比較，最終調(diào)節(jié)處理器CPU的脈寬調(diào)制PWM模塊的輸出，以控制定子繞組電流在預(yù)設(shè)值以內(nèi)。其優(yōu)點(diǎn)是，利用兩個(gè)低成本采樣電阻即可將正、反轉(zhuǎn)時(shí)的定子繞組電流分別采樣出來，并轉(zhuǎn)換為正電壓信號(hào)，方便處理器采樣，無需霍爾電流傳感器。最終在直流電機(jī)異常運(yùn)行中，比如堵轉(zhuǎn)和大負(fù)載的條件下，通過對(duì)電流上限的控制，能夠保證直流電機(jī)穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流電機(jī)總電流的實(shí)時(shí)采樣和控制，能夠解決電機(jī)運(yùn)行過程中遇到的電流失控而導(dǎo)致電機(jī)或者控制器燒毀的問題。本申請(qǐng)的電路原理和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。
[0005]本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，所采用的技術(shù)方案為:一種直流電機(jī)定子繞組電流的采樣電路，其特征在于:包括功率及電流采樣電路、濾波電路和處理器，功率及電流采樣電路用于控制直流電機(jī)定子繞組的電流方向和采樣不同方向的繞組電流信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換成正電壓信號(hào)，濾波電路對(duì)該正電壓信號(hào)進(jìn)行低通濾波以形成正、反向電流采樣信號(hào)，處理器對(duì)正、反電流采樣信號(hào)依次進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、比較判別以及調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制PWM模塊的輸出占空比，控制功率及電流采樣電路中的功率開關(guān)管；其中:
[0006]處理器為32位單片機(jī)，該32位單片機(jī)內(nèi)集成了 10-12位模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC模塊、脈寬調(diào)制PWM模塊，并運(yùn)行比較軟件；模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC模塊接受從濾波電路輸入的正、反向電流采樣信號(hào)，脈寬調(diào)制PWM模塊向功率及電流采樣電路輸出功率開關(guān)管M1-M4的柵控制信號(hào)；
[0007]功率及電流采樣電路為H全橋加上雙路采樣電阻結(jié)構(gòu)，包括連接成為標(biāo)準(zhǔn)H全橋的四個(gè)功率開關(guān)管Ml?M4、四個(gè)續(xù)流二極管Dl?D4以及兩路采樣電阻Rl、R2，功率開關(guān)管Ml和M2的漏極與二極管Dl和D2的陰極連接在一起并連接直流電源DC的正極，續(xù)流二極管Dl的陽極與功率開關(guān)管Ml的源極、功率開關(guān)管M3的漏極、續(xù)流二極管D3的陰極以及直流電機(jī)定子繞組L的正端連接在一起，續(xù)流二極管D2的陽極與功率開關(guān)管M2的源極、功率開關(guān)管M4的漏極、續(xù)流二極管D4的陰極以及直流電機(jī)定子繞組L的負(fù)端連接在一起，功率開關(guān)管M3的源極連接續(xù)流二極管D3的陽極和電阻Rl的一端，并向?yàn)V波電路輸出，電阻Rl的另一端連接直流電源DC的負(fù)極并接地，功率開關(guān)管M4的源極連接續(xù)流二極管D4的陽極和電阻R2的一端，并向?yàn)V波電路輸出，電阻R2的另一端連接直流電源DC的負(fù)極并接地；功率開關(guān)管M1-M4的柵控制信號(hào)為處理器中脈寬調(diào)制PWM模塊的輸出信號(hào)；
[0008]濾波電路為雙通道RC低通濾波結(jié)構(gòu)，包括電阻R3和R4及電容Cl和C2，電阻R3的一端連接至功率及電流采樣電路中功率開關(guān)管M3的源極，電阻R3的另一端連接至電容Cl的一端及處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC模塊，電容Cl的另一端接地，電阻R4的一端連接功率及電流采樣電路中功率開關(guān)管M4的源極，電阻R4的另一端連接至電容C2的一端及處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC模塊，電容C2的另一端接地。
[0009]所述采樣電阻Rl、R2是低溫度系數(shù)電阻，包括錳銅電阻或康銅電阻中的一種。
[0010]所述濾波電路對(duì)電流采樣電路生成的電壓信號(hào)進(jìn)行的處理包括:低通，濾除高頻信號(hào)。
[0011]上述直流電機(jī)相繞組電流的采樣電路的采樣方法，其特征在于:在H全橋的兩個(gè)下功率管和地之間分別串聯(lián)采樣電阻R1、R2，將正、反兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向時(shí)的定子繞組電流分別轉(zhuǎn)換成大于OV的正電壓信號(hào)，繼而經(jīng)過低通濾波器濾波，各自傳輸給處理器CPU中的模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC模塊，由處理器CPU中的比較程序進(jìn)行判別比較，最終調(diào)節(jié)處理器CPU的脈寬調(diào)制PWM模塊的輸出，以控制功率及電流采樣電路中的功率開關(guān)管，從而將定子繞組電流在上限以內(nèi)。
[0012]當(dāng)功率開關(guān)管Ml和M4均導(dǎo)通時(shí)，直流電機(jī)處于正轉(zhuǎn)勵(lì)磁工作模式，采樣電阻R2因繞組電流通過而形成等比例壓降信號(hào)，并向?yàn)V波電路傳輸，經(jīng)過濾波電路中的電阻R4和電容C2低通RC濾波后形成正向電流采樣信號(hào)，繼而傳輸?shù)教幚砥鞯哪?shù)轉(zhuǎn)換ADC模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)定子繞組電流的電阻采樣；
[0013]當(dāng)功率開關(guān)管Ml關(guān)斷，M4導(dǎo)通時(shí)，直流電機(jī)處于正轉(zhuǎn)續(xù)流工作模式，此時(shí)采樣電阻R2兩端仍然存在與正向定子繞組電流等比例的電壓信號(hào)，因此繼續(xù)經(jīng)過濾波電路向處理器的ADC模塊實(shí)時(shí)傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)定子繞組續(xù)流電流的電阻采樣；此時(shí)采樣電阻Rl兩端實(shí)際上也有電壓信號(hào)，但是由于此時(shí)處于正向工作階段，完全可以忽略該路電壓并不進(jìn)行采樣；
[0014]當(dāng)功率開關(guān)管Ml和M4均關(guān)斷時(shí)，直流電機(jī)處于正轉(zhuǎn)去磁工作模式，此時(shí)采樣電阻R2上沒有電流經(jīng)過，因此壓降為O ;
[0015]當(dāng)功率開關(guān)管M2和M3導(dǎo)通時(shí)，直流電機(jī)處于反轉(zhuǎn)勵(lì)磁工作模式，此時(shí)與功率開關(guān)管Ml和M4導(dǎo)通時(shí)原理相同，采樣電阻Rl因繞組電流通過而形成等比例壓降信號(hào)，并經(jīng)濾波電路低通濾波后向處理器模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC模塊傳輸。該模式以及反轉(zhuǎn)續(xù)流模式、反轉(zhuǎn)去磁模式原理與正轉(zhuǎn)相同。
[0016]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及顯著效果:
[0017]本發(fā)明通過對(duì)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)H全橋驅(qū)動(dòng)電路以及工作狀態(tài)進(jìn)行分析，提出了一種對(duì)正反轉(zhuǎn)繞組電流采樣及控制有益的可行性方案。利用H全橋驅(qū)動(dòng)電路及兩個(gè)采樣電阻、低通濾波器、處理器CPU和其內(nèi)置ADC，可對(duì)直流電機(jī)在不同狀態(tài)下的電流進(jìn)行準(zhǔn)確的采樣，并控制繞組電流在上限以內(nèi)，保證了直流電機(jī)和控制器的可靠性。本發(fā)明利用了直流電機(jī)控制系統(tǒng)已有的硬件，輔助測(cè)量及控制電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明的電路原理圖；
[0019]圖2是本發(fā)明實(shí)施例1正轉(zhuǎn)勵(lì)磁工作模式下的工作原理圖；
[0020]圖3是本發(fā)明實(shí)施例2正轉(zhuǎn)續(xù)流工作模式下的工作原理圖；
[0021]圖4是本發(fā)明實(shí)施例3反轉(zhuǎn)勵(lì)磁工作模式下的工作原理圖；
[0022]圖5是本發(fā)明實(shí)施例4反轉(zhuǎn)續(xù)流工作模式下的工作原理圖；
[0023]圖6是本發(fā)明實(shí)施正、反轉(zhuǎn)各種工作模式下的關(guān)鍵波形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
[0025]本發(fā)明將直流電機(jī)定子繞組電流的采樣電路和采樣方法運(yùn)用到直流電機(jī)控制器中，能夠采樣正、反轉(zhuǎn)時(shí)的定子繞組電流，使得當(dāng)繞組電流超過上限時(shí)能夠及時(shí)關(guān)閉功率開關(guān)管并調(diào)整繞組電流，防止控制器的損壞。本發(fā)明提供的采樣電路和采樣方法完全能夠適用于這種對(duì)電流采樣和電流控制要求嚴(yán)格的場(chǎng)合。
[0026]如圖1所示，本發(fā)明提供的直流電機(jī)定子繞組電流的采樣電路中串聯(lián)一個(gè)直流電機(jī)的定子繞組L。該采樣電路包括功率及電流采樣電路1、濾波電路2和處理器3 (為32位單片機(jī)，單片機(jī)內(nèi)集成了 10-12位ADC)。功率及電流采樣電路I的作用一是控制直流電機(jī)定子繞組的電流方向，二是采樣不同方向的繞組電流信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換成正電壓信號(hào)，濾波電路2對(duì)該正電壓信號(hào)進(jìn)行低通濾波以形成正、反向電流采樣信號(hào)，繼而輸出至處理器3，處理器3接收濾波電路傳遞的電壓信號(hào)，并對(duì)正、反電流采樣信號(hào)依次進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、比較判別以及調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制PWM模塊的輸出占空比，脈寬調(diào)制PWM模塊向功率及電流采樣電路輸出功率開關(guān)管M1-M4的柵控制信號(hào)。
[0027]功率及電流采樣電路I為H全橋加上雙路采樣電阻結(jié)構(gòu)，包括連接成為標(biāo)準(zhǔn)H全橋的四個(gè)功率開關(guān)管Ml?M4、四個(gè)續(xù)流二極管Dl?D4、兩路采樣電阻Rl、R2。功率開關(guān)管Ml和M2的漏極與二極管Dl和D2的陰極連接在一起并連接直流電源DC的正極，續(xù)流二極管Dl的陽極與功率開關(guān)管Ml的源極、功率開關(guān)管M3的漏極、續(xù)流二極管D3的陰極以及直流電機(jī)定子繞組L的正端連接在一起，續(xù)流二極管D2的陽極與功率開關(guān)管M2的源極、功率開關(guān)管M4的漏極、續(xù)流二極管D4的陰極以及直流電機(jī)定子繞組L的負(fù)端連接在一起，功率開關(guān)管M3的源極連接續(xù)流二極管D3的陽極和電阻Rl的一端，并向?yàn)V波電路輸出，電阻Rl的另一端連接直流電源DC的負(fù)極并接地，功率開關(guān)管M4的源極連接續(xù)流二極管D4的陽極和電阻R2的一端，并向?yàn)V波電路輸出，電阻R2的另一端連接直流電源DC的負(fù)極并接地；功率開關(guān)管M1-M4的柵控制信號(hào)為處理器中脈寬調(diào)制PWM模塊的輸出信號(hào)。
[0028]濾波電路2(用于對(duì)功率及電流采樣電路形成的電壓信號(hào)進(jìn)行的處理包括:低通、濾除高頻信號(hào))為雙通道RC低通濾波結(jié)構(gòu)，包括電阻R3和R4，電容Cl和C2，電阻R3的一端連接至功率及電流采樣電路從電阻Rl處的輸出，另一端連接至電容Cl的一端及處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC模塊，電容Cl的另一端接地，電阻R4的一端連接至功率及電流采樣電路從電阻R2處的輸出，另一端連接至電容C2的一端及處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC模塊，電容C2的另一端接地。
[0029]采樣方法為:當(dāng)功率開關(guān)管Ml和M4均導(dǎo)通時(shí)，直流電機(jī)處于正轉(zhuǎn)勵(lì)磁工作模式，采