CN113131796B - 一种直流有刷电机的启动或抗堵转方法 - Google Patents

Abstract

本发明所述的一种直流有刷电机的启动或抗堵转方法，传统过流保护周期的基础上通过所述PWM控制模块对工作电流进行调制，使得每一个电流慢衰减前半周期过程内，均存在负载电流，且所述负载电流稳定在所述调制电流阈值，即仍旧能够给直流有刷电机提供安全恒定的启动力矩；在每一个电流快衰减后半周期过程内，不进行PWM调制，让直流有刷电机失去驱动力矩，自由滑行；即实现直流有刷电机的“…启动‑滑行‑启动‑滑行‑启动…”的循环动作，这两种模式间隔切换，使得直流有刷电机绕组线圈抖动，进而产生转动惯性，该转动惯性一方面削弱直流有刷电机的静态力矩，另一方面加成直流有刷电机的恒定启动力矩，最终实现直流有刷电机的安全启动。

Description

一种直流有刷电机的启动或抗堵转方法

技术领域

本发明涉及直流有刷电机驱动技术，特别是一种直流有刷电机的启动或抗堵转方法。

背景技术

如图1所示为H桥驱动器的H桥驱动电路驱动直流有刷电机的原理简图，将直流有刷电机简化为感性负载LR，H桥驱动电路中，第一高边PMOS开关管M1和第三低边NMOS开关管M3的漏极相连于第一节点A，第二高边PMOS开关管M2和第四低边NMOS开关管M4相连于第二节点B，所述感性负载的一端连接第一节点A，另一端连接第二节点B，其中D1、D2、D3、D4分别为第一高边PMOS开关管M1、第二高边PMOS开关管M2、第三低边NMOS开关管M3和第四低边NMOS开关管M4的寄生二极管。除图1所示的H桥驱动电路外，H桥驱动器驱动直流有刷电机运转的电路还包括传统过流保护电路。传统的H桥驱动直流有刷电机的传统过流保护电路的工作时序图如图2所示，其中vsg1、vsg2分别对应第一高边PMOS开关管M1和第二高边PMOS开关管M2的开启与关闭的源栅端电压差波形，vgs3、vgs4分别对应第三低边NMOS开关管M3和第四低边NMOS开关管M4的开启与关闭的栅源端电压差波形，I1对应检测到的流经直流有刷电机绕组线圈电流变化示意图。具体地，检测到的流经直流有刷电机线圈绕组的电流为工作电流Iload，用H桥驱动电路驱动直流有刷电机工作，比如使第一高边PMOS开关管M1和第四低边NMOS开关管M4开启时，若检测到工作电流Iload大于或等于传统过流保护电路设定的过流保护阈值Iocp，且持续时间超过过流保护启动时间Tdeg(OCP Deglitch Time)时，传统过流保护电路立即动作，所述过流保护启动时间Tdeg一般为几个微秒。所述传统过流保护电路立刻通过开关管控制单元将第一高边PMOS开关管M1、第二高边PMOS开关管M2、第三低边NMOS开关管M3和第四低边NMOS开关管M4全部关闭，使得H桥驱动电路处于高阻保护状态，高阻保护状态持续时间即为过流保护间隔时间Tocp(Over-Current ProtectionPeriod)，一般为几个毫秒，以将工作电流Iload快速衰减，此为第一个传统过流保护周期Φ1。在过流保护间隔时间Tocp内直流有刷电机失去驱动力矩。第一个传统过流保护周期Φ1完成的同时继续尝试用H桥驱动电路正常驱动直流有刷电机工作并检测工作电流Iload是否超过其过流保护阈值Iocp，且持续时间是否超过其过流保护启动时间Tdeg，若是则传统过流保护电路继续使H桥处于高阻保护状态并持续过流保护间隔时间Tocp；此为第二个传统过流保护周期Φ2。循环以上过流检测过程和高阻保护状态过程，也即为一个过流检测过程和高阻保护状态过程为一个传统过流保护周期，一个传统过流保护周期的时间为Tdeg+Tocp，除非直流有刷电机的工作电流Iload的值低于过流保护阈值Iocp，才会停止循环。直流有刷电机在启动或堵转时，由于绕组线圈静止，故而要在没有反向电动势抑制绕组线圈电流的情况下，需要克服绕组线圈静态力矩做功，此时流经直流有刷电机绕组线圈的启动电流或堵转电流Iload极大，至少为额定工作电流的1.5倍以上，极易触发H桥驱动器的过流保护电路动作，一旦触发H桥驱动器的传统过流保护电路，就容易进入上述的传统过流保护周期，而传统过流保护使得直流有刷电机更不容易启动，若H桥驱动器、直流有刷电机型号和拖动负载的选择不匹配，该传统过流保护电路的过流检测和高阻保护状态将无限循环，即进入了死循环，直流有刷电机堵转，无法再自行启动。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种直流有刷电机的启动或抗堵转方法，在传统过流保护周期中交叉使用PWM(Pulse Width Modulation)控制模块，实现直流有刷电机启动时或堵转时的“…启动-滑行-启动-滑行-启动…”的循环动作，使得直流有刷电机绕组线圈抖动，进而产生转动惯性，该转动惯性一方面削弱直流有刷电机的静态力矩，另一方面加成直流有刷电机的恒定启动力矩，最终实现直流有刷电机的安全启动或安全运转。

本发明通过以下技术方案实现：

一种直流有刷电机的启动或抗堵转方法，使用H桥驱动电路驱动直流有刷电机，还包括PWM控制模块，所述PWM控制模块设置调制电流阈值和调制电流启动时间，所述调制电流阈值最大不大于所述过流保护阈值，最小不小于直流有刷电机的额定工作电流；

当电机启动或堵转时，若所述PWM控制模块检测到负载电流超过过流保护阈值，从达到所述过流保护阈值开始持续第一时间，此为第一过流电流检测阶段；

在第一时间结束时，所述PWM控制模块关闭第一高边MOS开关管和第二高边MOS开关管，开启第三低边MOS开关管和第四低边MOS开关管，使负载电流处于慢衰减状态，并持续第二时间，此为第一电流慢衰减阶段；

若所述第二时间过程中，电机转子运转，则H桥恢复正常启动状态；若所述第二时间结束，电机转子仍未运转，则所述H桥驱动电路进入正常启动状态，该正常启动状态开始的同时，所述PWM控制模块检测负载电流，当负载电流超过所述调制电流阈值，且持续时间超过调制电流启动时间，从正常启动状态开始到调制电流启动时间结束，此为第二过流电流检测阶段；所述第二过流电流检测阶段结束的同时，所述PWM控制模块立刻关闭第一高边MOS开关管和第二高边MOS开关管，开启第三低边MOS开关管和第四低边MOS开关管，使负载电流处于慢衰减状态，并持续第二时间，此为第二电流慢衰减阶段；循环重复所述第一过流电流检测阶段和所述第一电流慢衰减阶段，直至到达第三时间；

所述第一过流电流检测阶段、所述第一电流慢衰减阶段、循环重复所述第一过流电流检测阶段和所述第一电流慢衰减阶段的总体过程为电流慢衰减前半周期；持续时间为所述第三时间；

在所述电流慢衰减前半周期过程中，所述负载电流稳定在所述调制电流阈值；

若所述第三时间过程中，电机转子运转，则H桥恢复正常启动状态；若所述第三时间结束，电机转子仍未运转，所述PWM控制模块关闭第一高边MOS开关管、第二高边MOS开关管、第三低边MOS开关管和第四低边MOS开关管，并持续第四时间，此时所述H桥处于高阻状态，此为电流快衰减后半周期；

若所述第四时间过程中，电机转子运转，则H桥恢复正常启动状态；若所述第四时间结束，电机转子仍未运转，则循环重复所述电流慢衰减前半周期和所述电流快衰减后半周期，直至到达第五时间；

若所述第五时间过程中，电机转子运转，则H桥恢复正常启动状态；若所述第五时间结束，电机转子仍未运转，则所述PWM控制模块自动关闭。

作为优选，所述第一时间为2～8微秒。

作为优选，所述第二时间大于所述第一时间且小于100微秒。

作为优选，所述第三时间为2～9毫秒。

作为优选，所述第四时间等于所述第三时间，所述电流慢衰减前半周期过程和所述电流快衰减后半周期过程共同组成一个电流衰减周期。

作为优选，所述第五时间为所述PWM控制模块的工作时间，所述PWM控制模块的工作时间不大于10秒。

作为优选，所述的直流有刷电机的启动或抗堵转方法还包括传统过流保护电路，若所述PWM控制模块自动关闭，则所述传统过流保护电路工作。

作为优选，所述的直流有刷电机的启动或抗堵转方法还包括过温保护电路，若所述H桥驱动电路的温度超过温度保护阈值，则所述过温保护电路立刻控制开关管控制单元使所述第一高边MOS开关管、第二高边MOS开关管、第三低边MOS开关管和第四低边MOS开关管进入高阻保护状态，并循环重复传统过流保护周期。

本发明相对于现有技术优势在于：

本发明所述的一种直流有刷电机的启动或抗堵转方法，传统过流保护周期的基础上通过所述PWM控制模块对工作电流进行调制，使得每一个电流慢衰减前半周期过程内，均存在负载电流，且所述负载电流稳定在所述调制电流阈值，即仍旧能够给直流有刷电机提供安全恒定的启动力矩；在每一个电流快衰减后半周期过程内，不进行PWM调制，让直流有刷电机失去驱动力矩，自由滑行；即实现直流有刷电机的“…启动-滑行-启动-滑行-启动…”的循环动作，这两种模式间隔切换，使得直流有刷电机绕组线圈抖动，进而产生转动惯性，该转动惯性一方面削弱直流有刷电机的静态力矩，另一方面加成直流有刷电机的恒定启动力矩，最终实现直流有刷电机的安全启动。而且，在每一个电流慢衰减前半周期过程内用PWM控制模块对工作电流进行循环调制，通过调整调制电流阈值，可以在保证启动力矩的基础上，尽可能的不去触发温度保护，进一步提高用于直流有刷电机的抗堵转H桥驱动器的抗堵转性能。一旦触发过温度保护(TSD)，将立刻放弃尝试启动直流有刷电机，即立刻跳到高阻保护状态，仅循环重复传统过流保护周期的过程，以保证H桥驱动器和直流有刷电机的安全。

附图说明

图1为H桥驱动电路驱动直流有刷电机的原理简图；

图2为传统的H桥驱动电路驱动直流有刷电机触发传统过流保护电路的工作时序图；

图3为本发明H桥驱动电路驱动直流有刷电机触发PWM控制模块的工作时序图。

图中各标号列示如下：

M1-第一高边PMOS开关管，M2-第二高边PMOS开关管，M3-第三低边NMOS开关管，M4-第四低边NMOS开关管，A-第一节点，B-第二节点，LR-感性负载，

vsg1-传统过流保护周期中第一高边PMOS开关管M1的开启与关闭时的源栅端电压差波形，vsg2-传统过流保护周期中第二高边PMOS开关管M2的开启与关闭时的源栅端电压差波形，vgs3-传统过流保护周期中第三低边NMOS开关管M3的开启与关闭时的栅源端电压差波形，vgs4-传统过流保护周期中第四低边NMOS开关管M4的开启与关闭时的栅源端电压差波形，Il-传统过流保护周期中负载电流变化波形，Tdeg-过流保护启动时间，Tocp-过流保护间隔时间，Φ1-第一个传统过流保护周期，Φ2-第二个传统过流保护周期，ΦN-第N个传统过流保护周期，P1-PWM控制模块1，vsg1’-带PWM的过流保护周期中第一高边PMOS开关管M1的开启与关闭时的源栅端电压差波形，vsg2’-带PWM的过流保护周期中第二高边PMOS开关管M2的开启与关闭时的源栅端电压差波形，vgs3’-带PWM的过流保护周期中第三低边NMOS开关管M3的开启与关闭时的栅源端电压差波形，vgs4’-带PWM的过流保护周期中第四低边NMOS开关管M4的开启与关闭时的栅源端电压差波形，I2-带PWM的过流保护周期中负载电流变化波形，T1-第一时间，T2-第二时间，T3-第三时间，T4-第四时间，Φ1’-第一个过流保护周期，Φ2’-第二个过流保护周期，ΦN’-第N’个过流保护周期。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。

一种直流有刷电机的启动或抗堵转方法，与现有技术不同之处在于，除了包括传统过流保护电路、过温保护电路和如图1所示的H桥驱动电路，还包括PWM控制模块，所述PWM控制模块P1分别根据调制时间和调制电流阈值Ipwm控制第一高边PMOS开关管M1、第二高边PMOS开关管M2、第三低边NMOS开关管M3和第四低边NMOS开关管M4的开启和关闭。所述PWM控制模块P1预设定有调制电流阈值Ipwm及调制电流启动时间tp，所述调制电流阈值Ipwm最大不大于过流保护阈值Iocp，最小不小于直流有刷电机的额定工作电流。所述调制电流启动时间是指从所述负载电流到达调制电流阈值Ipwm时开始到设定的所述负载电流可能损坏电路的某一个值(比如过流保护启动时间Tdeg)的时间。

已知传统过流保护电路的过流保护启动时间Tdeg为4μs，过流保护间隔时间Tocp为2ms，如图2所示，为传统的H桥驱动直流有刷电机的传统过流保护电路的工作时序图，Φ1为第一个传统过流保护周期，Φ2为第二个传统过流保护周期，ΦN为第一个传统过流保护周期Φ1为第N个传统过流保护周期。

在本实施例中，所述PWM控制模块P1替代传统的过流保护电路，当所述当电机启动或堵转时，若所述PWM控制模块P1检测到负载电流超过所述过流保护阈值Iocp，如图3所示，则从达到所述过流保护阈值Iocp开始持续第一时间T1＝Tdeg＝1us～8us，优选为2us～4us，第一时间等于传统过流保护电路工作时的过流保护启动时间；此为第一过流电流检测阶段；在第一时间结束时，所述PWM控制模块P1关闭第一高边MOS开关管M1和第二高边MOS开关管M2，开启第三低边MOS开关管M3和第四低边MOS开关管M4，使负载电流Iload处于慢衰减状态，并持续第二时间T2＝Tpwm，第二时间T2大于第一时间且小于100微秒，优选为20us，Tpwm为所述PWM控制模块P1的电流慢衰减时间，此为第一电流慢衰减阶段；

若所述第二时间T2过程中，电机转子运转，则H桥恢复正常启动状态；若所述第二时间T2结束，电机转子仍未运转，则所述H桥驱动电路进入正常启动状态，该正常启动状态开始的同时，所述PWM控制模块P1检测负载电流，当负载电流超过所述调制电流阈值Ipwm，且持续时间超过调制电流启动时间tp，从正常启动状态开始到调制电流启动时间tp结束，此为第二过流电流检测阶段，所述PWM控制模块P1立刻关闭第一高边MOS开关管M1和第二高边MOS开关管M2，开启第三低边MOS开关管M3和第四低边MOS开关管M4，使负载电流Iload处于慢衰减状态，并持续第二时间T2＝Tpwm，此为第二电流慢衰减阶段并重复所述第二过流电流检测阶段和所述第二电流慢衰减阶段，此时的第二过流电流检测阶段持续时间为T2’＝Tblank，Tblank为所述PWM控制模块P1的电流检测时间，几个微妙的时间，且可能会T2’＝T1；循环重复该所述第二过流电流检测阶段和所述第二电流慢衰减阶段，或循环重复该所述第一电流慢衰减阶段和所述第二过流电流检测阶段直至到达第三时间T3，第三时间T3为2～9毫秒；

循环重复所述第一过流电流检测阶段和所述第一电流慢衰减阶段的总体过程为电流慢衰减前半周期；持续时间为所述第三时间T3＝N(Tocp+Tdeg)；所述第三时间等于一个传统过流保护周期，一般为几个毫秒。

在所述电流慢衰减前半周期过程中，所述负载电流Iload稳定在所述调制电流阈值Ipwm；

若所述第三时间T3过程中，电机转子运转，则H桥恢复正常启动状态；若所述第三时间T3结束，电机转子仍未运转，所述PWM控制模块P1关闭第一高边MOS开关管M1、第二高边MOS开关管M2、第三低边MOS开关管M3和第四低边MOS开关管M4，并持续第四时间T4＝T3，此时所述H桥处于高阻状态，此为电流快衰减后半周期；

若所述第四时间T4过程中，电机转子运转，则H桥恢复正常启动状态；若所述第四时间结束，电机转子仍未运转，则循环重复所述电流慢衰减前半周期和所述电流快衰减后半周期，直至到达第五时间T5＝N(T3+T4)；所述第五时间T5为所述PWM控制模块的工作时间，一般为几秒。图3中Φ1’为与图2中的Φ1相对应的第一个传统过流保护周期，Φ2’为与图2中的Φ2相对应的第一个传统过流保护周期，ΦN’为与图2中的ΦN相对应的第一个传统过流保护周期。

若所述第五时间T5过程中，电机转子运转，则H桥恢复正常启动状态；若所述第五时间T5结束，电机转子仍未运转，则所述PWM控制模块P1自动关闭。

作为优选，所述的直流有刷电机的启动或抗堵转方法还包括传统过流保护电路，若所述所述PWM控制模块P1自动关闭，则所述传统过流保护电路工作。

作为优选，所述的直流有刷电机的启动或抗堵转方法还包括过温保护电路，所述H桥驱动电路的温度超过温度保护阈值，则所述过温保护电路立刻控制开关管控制单元使所述第一高边MOS开关管M1、第二高边MOS开关管M2、第三低边MOS开关管M3和第四低边MOS开关管M4进入高阻保护状态，并循环重复传统过流保护周期。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改变，其均应涵盖在本发明专利的保护范围当中。

Claims (8)

1.一种直流有刷电机的启动或抗堵转方法，使用H桥驱动电路驱动直流有刷电机，其特征在于，还包括PWM控制模块，所述PWM控制模块设置调制电流阈值和调制电流启动时间，所述调制电流阈值最大不大于过流保护阈值，最小不小于直流有刷电机的额定工作电流；当电机启动或堵转时，即所述PWM控制模块检测到负载电流超过过流保护阈值，从达到所述过流保护阈值开始持续第一时间，此为第一过流电流检测阶段；在第一时间结束时，所述PWM控制模块关闭第一高边MOS开关管和第二高边MOS开关管，开启第三低边MOS开关管和第四低边MOS开关管，使负载电流处于慢衰减状态，并持续第二时间，此为第一电流慢衰减阶段；若所述第二时间过程中，电机转子运转，则H桥恢复正常启动状态；若所述第二时间结束，电机转子仍未运转，则所述H桥驱动电路进入正常启动状态，该正常启动状态开始的同时，所述PWM控制模块检测负载电流，当负载电流超过所述调制电流阈值，且持续时间超过调制电流启动时间，从正常启动状态开始到调制电流启动时间结束，此为第二过流电流检测阶段；所述第二过流电流检测阶段结束的同时，所述PWM控制模块立刻关闭第一高边MOS开关管和第二高边MOS开关管，开启第三低边MOS开关管和第四低边MOS开关管，使负载电流处于慢衰减状态，并持续第二时间，此为第二电流慢衰减阶段；循环重复所述第二过流电流检测阶段和所述第二电流慢衰减阶段，直至到达第三时间；所述第一过流电流检测阶段、所述第一电流慢衰减阶段、循环重复所述第一过流电流检测阶段和所述第一电流慢衰减阶段的总体过程为电流慢衰减前半周期；持续时间为所述第三时间；在所述电流慢衰减前半周期过程中，所述负载电流稳定在所述调制电流阈值；若所述第三时间过程中，电机转子运转，则H桥恢复正常启动状态；若所述第三时间结束，电机转子仍未运转，所述PWM控制模块关闭第一高边MOS开关管、第二高边MOS开关管、第三低边MOS开关管和第四低边MOS开关管，并持续第四时间，此时所述H桥处于高阻状态，此为电流快衰减后半周期；若所述第四时间过程中，电机转子运转，则H桥恢复正常启动状态；若所述第四时间结束，电机转子仍未运转，则循环重复所述电流慢衰减前半周期和所述电流快衰减后半周期，直至到达第五时间；若所述第五时间过程中，电机转子运转，则H桥恢复正常启动状态；若所述第五时间结束，电机转子仍未运转，则所述PWM控制模块自动关闭。

2.根据权利要求1所述的直流有刷电机的启动或抗堵转方法，其特征在于，所述第一时间为2～8微秒。

3.根据权利要求1所述的直流有刷电机的启动或抗堵转方法，其特征在于，所述第二时间大于所述第一时间，且小于100微秒。

4.根据权利要求1所述的直流有刷电机的启动或抗堵转方法，其特征在于，所述第三时间等于一个传统过流保护周期，为2～9毫秒。

5.根据权利要求1所述的直流有刷电机的启动或抗堵转方法，其特征在于，所述第四时间等于所述第三时间，所述电流慢衰减前半周期过程和所述电流快衰减后半周期过程共同组成一个电流衰减周期。

6.根据权利要求1所述的直流有刷电机的启动或抗堵转方法，其特征在于，所述第五时间为所述PWM控制模块的工作时间，所述PWM控制模块的工作时间不大于10秒。

7.根据权利要求1所述的直流有刷电机的启动或抗堵转方法，其特征在于，还包括传统过流保护电路，若所述PWM控制模块自动关闭，则所述传统过流保护电路工作。

8.根据权利要求1或7所述的直流有刷电机的启动或抗堵转方法，其特征在于，还包括过温保护电路，若所述H桥驱动电路的温度超过温度保护阈值，则所述过温保护电路立刻控制开关管控制单元使所述第一高边MOS开关管、第二高边MOS开关管、第三低边MOS开关管和第四低边MOS开关管进入高阻保护状态，并循环重复传统过流保护周期。

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