本實用新型涉及一種電機堵轉保護電路模塊，尤其涉及一種無刷直流電機快速堵轉保護電路模塊。

背景技術：

無刷直流電機是指無電刷和換向器(或集電環)并采用直流電源驅動的電機，一般由電動機主體和內部集成驅動器組成，是一種典型的機電一體化產品，其具有傳統直流電機的優點，同時又取消了碳刷、滑環結構，不產生火花，工作可靠，壽命長，被廣泛應用于汽車、工具、工業控制以及航空航天等領域，在自動門窗控制上也發揮出較大優勢。

但是，無刷直流電機應用于自動門窗及相關控制領域時，當機械裝置運動到限位或運行中遇到障礙物而堵轉時，如不及時、迅速地閉鎖電機并撤銷輸出轉矩，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，但接近開關工作壽命有限，啟動速度慢，且不能保護機械裝置運行途中的堵轉；而且經本實用新型設計者試驗，一般的電子保護裝置(包括電機內部集成驅動器的過流保護電路)難以實現對自動門窗控制用無刷直流電機的快速堵轉保護，無法滿足安全性、可靠性要求。

一般帶內部集成驅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，低電平反轉)、控制調速線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，而本實用新型考慮采用的模式是過流觸發保護，方向控制線CW/CCW翻轉解鎖保護的保護模式。

技術實現要素：

本實用新型解決的技術問題是提供一種無刷直流電機快速堵轉保護電路模塊，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生堵轉時，均能以小于100μs的啟動時間對電機進行快速保護，撤銷輸出轉矩，閉鎖電機，直至方向控制信號發生翻轉時解鎖電機，從而提高自動門窗等機械裝置的運行安全性。

為了解決所述技術問題，該電路模塊由模擬及數字電路實現堵轉電流檢測、保護動作、保護解鎖功能，如圖2所示，具體包含電流取樣、信號放大、閾值設置及比較、RS觸發器、保護閉鎖、保護解鎖六部分，其中，保護解鎖部分又由單穩態觸發器、上電復位電路、與非門邏輯電路構成。系統連接及信號流向關系為：該電路模塊接在控制器和無刷直流電機之間，電流取樣元件接在無刷直流電路直流供電回路中，電流取樣信號接入信號放大器，放大器輸出電壓接入比較器并與保護閾值電壓進行比較，比較器輸出信號接入RS觸發器S端，RS觸發器Q端輸出信號接入保護閉鎖電路，由保護閉鎖電路進行電機保護閉鎖；而無刷直流換向控制信號CW/CCW接入保護解鎖電路，保護解鎖電路產生的解鎖觸發信號接至RS觸發器的R端，控制RS觸發器Q端發生翻轉，解除保護閉鎖狀態。

如圖2所示，該電路模塊通過接在直流無刷電機電源回路的電阻對電機驅動電流進行取樣，并經過模擬信號放大及比較器，與保護閾值電壓比較后產生保護觸發信號，保護觸發信號被接至RS觸發器S端，由于RS觸發器的記憶功能，可維持保護閉鎖狀態，另有保護解鎖信號接至RS觸發器R端。保護電路模塊的具體工作原理和過程是：

a、系統上電復位后，RS觸發器Q端處于0狀態，電機正常工作；

b、而當電機堵轉后，其電流迅速升高，經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觸發器Q端置1，無刷電機PWM信號被閉鎖，輸出轉矩被撤銷，迅速達到堵轉保護，并且由于RS觸發器的記憶功能，可維持保護閉鎖狀態。

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信號經單穩態觸發器作用后產生解鎖觸發脈沖，并與上電復位信號與非后輸出解鎖信號到RS觸發器S端，解鎖電路的具體工作原理及過程是：

a、當換向信號CW/CCW保持不變時，即使電機堵轉電流消失(變為0)，但由于RS觸發器的狀態保持特性，無刷直流電機PWM信號仍保持閉鎖狀態；

b、而當換向信號CW/CCW發生翻轉式時，由單穩態觸發器產生一定寬度(約20ms)復位脈沖，復位脈沖被接至RS觸發器的R端，并將RS觸發器置0，使得保護解鎖，電機處于正常工作狀態。

根據以上保護閉鎖和解鎖原理及過程可見，采用該無刷直流電機快速堵轉保護模塊，無刷直流電機在任何情況發生堵轉時，均能對電機進行快速堵轉保護，撤銷輸出轉矩，閉鎖電機，直至方向控制信號發生翻轉時解鎖電機，即當電機前向運行發生堵轉時，可以快速被保護并保持閉鎖狀態(此時控制器如發出同向運行指令是無效的)，而控制器發出反向運行指令時可及時解鎖電機，使其恢復正常運行。

優選的是，所述無刷直流電機快速堵轉保護電路模塊中的閾值比較器、單穩態觸發器、RS觸發器、與非門及保護閉鎖電路均采用TTL或CMOS硬件電路實現，電平翻轉速度快，保護啟動時間短(小于100μs)。

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

本實用新型至少包括以下有益效果：

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

(2)采用純模擬及數字邏輯電路實現堵轉電流的采樣、信號放大、閉鎖邏輯及解鎖邏輯，無需采用CPU及計算機程序實現相關功能，結構簡單，成本低廉。

(3)保護動作后，由于RS觸發器具有狀態保持功能，即使電流降為0，電機仍保持閉鎖，不會重復發生同向運行堵轉現象，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整，方便進行動作閾值的整定。

本實用新型的其它優點、目標和特征將部分通過下面的說明體現，部分還將通過對本實用新型的研究和實踐而為本領域的技術人員所理解。

附圖說明

圖1為本實用新型所述的無刷直流電機保護模塊的接入電機控制系統的接線方法示意圖。

圖2為本實用新型所述的無刷直流電機保護電路模塊的實現原理框圖。

圖3中(a)為本實用新型的接線端子及系統電源變換原理圖，(b)為堵轉電流采集及閾值比較電路原理圖，(c)為本實用新型閉鎖及解鎖邏輯實施的電路原理圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型做進一步的詳細說明，以令本領域技術人員參照說明書文字能夠據以實施。

應當理解，本文所使用的諸如“具有”、“包含”以及“包括”術語并不排除一個或多個其它元件或其組合的存在或添加。

本實用新型公開一種適用于無刷直流電機快速堵轉保護電路模塊。該電路模塊采用純模擬及數字電路組成，其由電流取樣、信號放大、閾值設置及比較、RS觸發器、保護閉鎖、保護解鎖部分組成，其中，保護解鎖部分又由單穩態觸發器、上電復位電路、與非門數字邏輯電路構成。系統連接及信號流向關系為：該電路模塊接在控制器和無刷直流電機之間，電流取樣元件接在無刷直流電路直流供電回路中，電流取樣信號接入信號放大器，放大器輸出電壓接入比較器并與保護閾值電壓進行比較，比較器輸出信號接入RS觸發器S端，RS觸發器Q端輸出信號接入保護閉鎖電路，由保護閉鎖電路進行電機保護閉鎖；而無刷直流換向控制信號CW/CCW接入保護解鎖電路，保護解鎖電路產生的解鎖觸發信號接至RS觸發器的R端，控制RS觸發器Q端發生翻轉，解除保護閉鎖狀態。

c、該保護電路模塊工作原理是：通過接在直流無刷電機電源回路的電阻對電機驅動電流進行取樣，并經過模擬信號放大及比較器，與保護閾值電壓比較后產生保護觸發信號，保護觸發信號接至RS觸發器的S端，保護解鎖信號接至RS觸發器R端。系統上電復位后，RS觸發器Q端處于0狀態，電機正常工作；而當電機堵轉后，其電流迅速升高，經由電流取樣及信號放大后的信號與保護閾值進行比較后輸出高電平將RS觸發器Q端置1，無刷電機PWM信號被閉鎖，輸出轉矩被撤銷，迅速達到堵轉保護，且由于RS觸發器的記憶功能，可維持保護閉鎖狀態；當換向信號保持不變時，即便電機堵轉電流消失(變為0)，但由于RS觸發器的狀態保持特性，無刷直流電機PWM信號仍保持閉鎖狀態；而當換向信號CW/CCW發生翻轉式時，由單穩態觸發器產生一定寬度(約20ms)復位脈沖，復位脈沖被接至RS觸發器的R端，并將RS觸發器置0，使得保護解鎖，電機處于正常工作狀態。當換向信號發生翻轉式時，由單穩態觸發器產生復位脈沖，并將RS觸發器置0，使得保護及時解鎖，電機處于正常工作狀態。

如圖3中(a)、圖3中(b)及圖3中(c)所示為一種無刷直流電機快速堵轉保護的電路模塊的實例，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。

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

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

所述信號放大功能由圖3中(b)中的U4即集成電流檢測放大器芯片INA282實現，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。

所述閾值設置及比較由圖3中(b)中的10kΩ電位器R7及電壓比較器U5A即LM393構成，通過調整電位器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)，當發生堵轉過流時，檢測電壓高于閾值電壓即U_P＞U_N，LM393的1端(OUT端)由低電平變為高電平，且該電平通過CURRENT_DETECT網絡輸出至RS觸發器的S端。

所述RS觸發器由圖3中(c)中的兩個或非門74LS02單元構成，即U3B和U3C，集成四或非門芯片U3的5腳為RS觸發器的R端，U3的9腳為RS觸發器的S端，U3的6腳和10腳相連作為RS觸發器的輸出端，U3的8腳和4腳相連作為RS觸發器的輸出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；U3的5腳(R端)輸入為高時，Q端被置低，并保持低電平。

如圖3中(c)所示，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)構成，RS觸發器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速。

如圖3中(c)所示，所述保護解鎖邏輯部分的單穩態觸發器由集成雙單穩態觸發器芯片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構成。輸入的方向控制信號CW/CCW被分成兩路，一路信號經過與非門單元U1A構成的反相器(其1腳和2腳并聯)后再輸入到單穩態觸發器U2的1腳作為一個單穩態觸發單元的觸發信號源，另一路信號直接輸入到單穩態觸發器U2的9腳作為另一個單穩態觸發單元的觸發信號源，R1、C1及R2、C2分別組成RC充放電網絡并分別接入到兩個單穩態觸發器的6、7、14、15腳以及電源VCC間，為兩個單穩態觸發單元提供延時，決定輸出單穩態觸發脈沖的寬度約為20ms，由兩個單穩態觸發單元從各自的Q端(U2的13腳和5腳)輸出的脈沖經一個或非門單元U3A(74LS02)作用后輸出一個約20ms的低電平脈沖，用于后繼電路產生RS觸發器復位信號。該電路可以達到的效果是：當CW/CCW信號由高電平變為低電平時，單穩態觸發單元U2B產生高電平脈沖，而當CW/CCW信號由低電平變為高電平時，單穩態觸發單元U2A產生高電平脈沖，經過U3A(74LS02)或非后使得CW/CCW信號發生任意翻轉都會在U3A(74LS02)輸出端產生一個低電平脈沖。

如圖3中(c)所示，所述上電復位電路由5.1kΩ電阻R3及10μF電容C3串聯而成，所述電阻一端接至電源，電容一端接至地，串聯點接至所述與非門74LS00(U1B)的4腳，與上述U3A(74LS02)輸出端產生的低電平脈沖與非后輸出信號至所述RS觸發器的R端。R3和C3組成RC充放電網絡，系統上電時，RC網絡串聯點產生約20ms低電平，經與非門作用后產生約20ms高電平復位脈沖，對RS觸發器進行復位；正常情況下，RC網絡串聯點保持高電平，此時與非門74LS00(U1B)相當于一個反相器，將U3A(74LS02)輸出端產生的低電平脈沖反相為高電平脈沖，施加到RS觸發器R端，可用于電機保護解鎖。

采用所述具體實施電路實現相應的堵轉保護及保護解鎖功能的工作過程如下：

a.系統上電后，與非門U1B產生約20ms高電平脈沖，RS觸發器被復位，其輸出Q端即U3B的4腳輸出低電平，PWM調速信號可正常輸出，電機可正常運行。

b.而當電機堵轉后，其電流迅速升高，R6兩端電壓升高，經過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不導通，PWM_OUT保持高電平，電機被禁止，輸出轉矩被撤銷，且由于RS觸發器的記憶功能，可維持保護閉鎖狀態。

c.當換向信號CW/CCW保持不變時，雖然堵轉電流變為0，U5A的輸出信號CURRENT_DETECT為低，但由于RS觸發器的保持特性，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；

而當換向信號CW/CCW發生翻轉式時(上升沿或下降沿)，由單穩態觸發器單元U2A或U2B產生約20ms高電平脈沖，U3A輸出低電平脈沖，U1B輸出高電平脈沖，將RS觸發器置0，輸出Q端即U3B的4腳輸出低電平，PWM調速信號可正常輸出，電機可正常運行，保護被解鎖。

盡管本實用新型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實用新型的領域。對于熟悉本領域的人員而言可容易地實現另外的修改。因此在不背離權利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本實用新型并不限于特定的細節和這里示出與描述的圖例。