專利名稱：一種嵌入式數(shù)字電調(diào)控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種數(shù)字電調(diào)控制器，特別是一種應(yīng)用于航模飛行器中無刷電機(jī) 的嵌入式數(shù)字電調(diào)控制器。
背景技術(shù)：
目前應(yīng)用于航模飛行器中的無刷電機(jī)電子調(diào)速器采用的普遍方案是檢測反電動(dòng) 勢過零點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的。即通過不斷檢測三相無刷電機(jī)的相電壓和過零點(diǎn)的閾值比較獲得電機(jī)的 換相時(shí)刻，從而采取下一步通電措施確保電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)反電動(dòng)勢過零點(diǎn)檢測主要有兩種方法實(shí)現(xiàn)，一種是用ADC采樣電機(jī)的三相相 電壓，通過軟件比較相電壓和電機(jī)中心點(diǎn)電壓實(shí)現(xiàn)過零點(diǎn)檢測；另一種是采用硬件比較器 直接比較相點(diǎn)壓和中心點(diǎn)電壓，軟件捕獲比較器翻轉(zhuǎn)波形實(shí)現(xiàn)過零點(diǎn)的檢測。采用ADC軟件實(shí)現(xiàn)過零點(diǎn)檢測，其優(yōu)點(diǎn)在于檢測穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)，誤檢和 漏檢的概率低。但電機(jī)控制要求一定的實(shí)時(shí)性，所以ADC必須實(shí)現(xiàn)采樣相電壓進(jìn)行軟件上 的比較，這樣整個(gè)MCU的工作負(fù)荷會(huì)有一定的上升，并且ADC必須有足夠的轉(zhuǎn)換速度才行。 在航模應(yīng)用中，無刷電機(jī)平均轉(zhuǎn)速都在10000轉(zhuǎn)/分以上，這樣軟件比較的頻率將會(huì)大幅上 升，MCU的負(fù)荷將是直接影響電調(diào)性能的因素。基本上航模電調(diào)所用的控制器都是單片機(jī)， 處理速度不會(huì)很高。用ADC軟件檢測過零點(diǎn)，在控制高速運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)就存在著瓶頸。而采用硬件比較器就不存在這個(gè)技術(shù)瓶頸，硬件上的比較速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于軟件，軟 件上只需采用中斷形式捕獲比較器電平翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生的跳變沿就能實(shí)現(xiàn)過零點(diǎn)的檢測。這樣一 來就大大節(jié)省了 MCU的工作負(fù)荷，保證了有充足的時(shí)間去完成各項(xiàng)輔助功能。而采用硬件 比較器帶來的缺點(diǎn)是抗干擾能力弱，容易發(fā)生誤檢和漏檢，這必須在硬件上增加濾波電路， 軟件上需要進(jìn)行軟件濾波。這樣一來，在整個(gè)電調(diào)硬件設(shè)計(jì)上增加了許多元器件，甚至有些 單片機(jī)無內(nèi)部比較器，還需外擴(kuò)，既增加了成本又增加了電調(diào)的體積和重量。有悖于航模電 調(diào)的設(shè)計(jì)原則。并且目前采用的所有MCU都是低電壓供電(5V或者以下)，而電調(diào)的電源是基本是 大于IOV的電池組供電。所以還需增加穩(wěn)壓電路給MCU供電。而MCU對電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)和 三相電壓進(jìn)行檢測，之間的電壓又需要先進(jìn)行分壓處理才能進(jìn)入到MCU，又增加了元器件。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于，提供一種嵌入式數(shù)字電調(diào)控制器。它采用硬件比較器法， 在控制高速運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)不存在瓶頸，且克服了現(xiàn)有硬件比較器抗干擾能力弱，容易發(fā)生誤 檢和漏檢的缺點(diǎn)，而且硬件結(jié)構(gòu)簡單。本實(shí)用新型的技術(shù)方案一種嵌入式數(shù)字電調(diào)控制器，其特征在于包括單片機(jī)、 逆變驅(qū)動(dòng)橋、反電動(dòng)勢反饋電路、電流反饋電路和電源電路；單片機(jī)的定時(shí)器B與逆變驅(qū)動(dòng) 橋相連，單片機(jī)的另一個(gè)定時(shí)器A(TAO)與接收機(jī)接口相連，逆變驅(qū)動(dòng)橋經(jīng)過反電動(dòng)勢反饋 電路與單片機(jī)的比較器相連，逆變驅(qū)動(dòng)橋還經(jīng)過電流反饋電路與單片機(jī)的ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)相連，電源電路與單片機(jī)、接收機(jī)接口、逆變驅(qū)動(dòng)橋和電源接口相連。前述的嵌入式數(shù)字電調(diào)控制器中，所述電流反饋電路包括逆變驅(qū)動(dòng)橋與電源地之 間串聯(lián)的采樣電阻，采樣電阻產(chǎn)生的壓降經(jīng)運(yùn)放放大后進(jìn)入單片機(jī)的ADC。前述的嵌入式數(shù)字電調(diào)控制器中，所述反電動(dòng)勢反饋電路包括低通RC濾波電路 和3個(gè)電阻組成的星形網(wǎng)絡(luò)電路。前述的嵌入式數(shù)字電調(diào)控制器中所述單片機(jī)為MSP430FR1000單片機(jī)。其中單片機(jī)電源是由外部電源直接提供，中間無需加穩(wěn)壓電路即單片機(jī)和逆變驅(qū) 動(dòng)橋的電壓是相同的。由于FR1000獨(dú)有的電氣特性，模擬I/O 口承受的電平范圍最高為電 源電壓。逆變驅(qū)動(dòng)橋?qū)崿F(xiàn)對電機(jī)的換控制。和H橋的設(shè)計(jì)類似，上管采用P溝道的功率管， 下管采用N溝道的功率管。定時(shí)器B (TB)輸出的六路PWM經(jīng)單片機(jī)推挽后輸出，模擬驅(qū)動(dòng)口最大電平能輸出 和驅(qū)動(dòng)電機(jī)一樣的電壓。所以在驅(qū)動(dòng)逆變驅(qū)動(dòng)橋電路設(shè)計(jì)上不需要再加驅(qū)動(dòng)電路，能直接 驅(qū)動(dòng)。反電動(dòng)勢反饋電路是實(shí)現(xiàn)反電動(dòng)勢過零點(diǎn)檢測。檢測反電動(dòng)勢過零點(diǎn)，是要通過 非導(dǎo)通相的電壓與中心電壓比較，在相等時(shí)刻即為反電動(dòng)勢為0時(shí)，在經(jīng)過30°電氣角就 是實(shí)際換相時(shí)刻。中心電壓的提取是通過構(gòu)建星型網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。由于采用PWM調(diào)制方式，端電壓中帶 有干擾信號(hào)，所以還要經(jīng)過低通RC濾波，濾波后的電壓可以進(jìn)入比較器比較。由于FR1000 獨(dú)有的電氣特性，三相反電動(dòng)勢電壓可以直接進(jìn)入比較器輸入端，無需再分壓處理。濾波后的電壓通過三個(gè)電阻構(gòu)成星型網(wǎng)絡(luò)得到中心點(diǎn)電壓，作為比較器的參考電 壓進(jìn)入比較器參考端。在每次反電動(dòng)勢過零點(diǎn)時(shí)，比較器輸出電平會(huì)發(fā)生多次跳變。在實(shí) 際比較中，由于參考電壓和比較電壓的波動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致比較器輸出發(fā)生多次跳變，所以比較器 設(shè)計(jì)為遲滯比較對系統(tǒng)的穩(wěn)定性更加可靠，F(xiàn)R1000單片機(jī)內(nèi)置可編程遲滯比較器，外部無 需再設(shè)計(jì)。電流反饋電路是現(xiàn)實(shí)對電機(jī)電流采樣檢測。在驅(qū)動(dòng)橋與電源地之間串聯(lián)一個(gè)采樣 電阻，電阻產(chǎn)生的壓降經(jīng)運(yùn)放放大后進(jìn)入單片機(jī)ADC采樣轉(zhuǎn)換處理。由于ADC內(nèi)部電路由 電源電壓專用采樣通道，所以對電源電源檢測無需再外部設(shè)計(jì)。接收機(jī)產(chǎn)生的PPM信號(hào)電壓范圍為0 5V，能直接進(jìn)入單片機(jī)定時(shí)器捕獲口。 FR1000電調(diào)控制器需給接收機(jī)提供工作電壓，所以必須另加穩(wěn)壓電路給接收機(jī)供電。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型采用硬件比較器法，在控制高速運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)不存在 瓶頸，實(shí)現(xiàn)了對航模無刷直流電機(jī)的有效控制，其硬件電路上結(jié)構(gòu)簡單，縮小了硬件體積， 減輕了重量，滿足航模無刷電調(diào)的在各方面的需求。本實(shí)用新型的電調(diào)控制器經(jīng)過使用測 試，效果良好，電機(jī)啟動(dòng)性能高，調(diào)速曲線平滑。各項(xiàng)保護(hù)措施經(jīng)破壞性測試，功能有效，無 失靈。

圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型工作流程圖。
4[0023]附圖中的標(biāo)記為1-單片機(jī)，2-逆變驅(qū)動(dòng)橋，3-接收機(jī)接口，4-反電動(dòng)勢反饋電 路，5-比較器，6-電流反饋電路，7-電源電路，8-電源接口，9-電機(jī)。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明，但并不作為對本實(shí)用新型 限制的依據(jù)。實(shí)施例。一種嵌入式數(shù)字電調(diào)控制器，結(jié)構(gòu)如圖1所示包括單片機(jī)1、逆變驅(qū)動(dòng) 橋2、反電動(dòng)勢反饋電路4、電流反饋電路6和電源電路7 ；單片機(jī)1的定時(shí)器B與逆變驅(qū)動(dòng) 橋2相連，單片機(jī)1的另一個(gè)定時(shí)器A與接收機(jī)接口 3相連，逆變驅(qū)動(dòng)橋2經(jīng)過反電動(dòng)勢反 饋電路4與單片機(jī)1的比較器5相連，逆變驅(qū)動(dòng)橋2還經(jīng)過電流反饋電路6與單片機(jī)1的 ADC相連，電源電路7與單片機(jī)1、接收機(jī)接口 3、逆變驅(qū)動(dòng)橋2和電源接口 8相連。所述電 流反饋電路6包括逆變驅(qū)動(dòng)橋2與電源地之間串聯(lián)的采樣電阻，采樣電阻產(chǎn)生的壓降經(jīng)運(yùn) 放放大后進(jìn)入單片機(jī)1的ADC。所述反電動(dòng)勢反饋電路4包括低通RC濾波電路和3個(gè)電阻 組成的星形網(wǎng)絡(luò)電路。所述單片機(jī)1為MSP430FR1000單片機(jī)。FR1000嵌入式數(shù)字電調(diào)控制器軟件系統(tǒng)主要分為電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分，功能檢測保護(hù)部 分和參數(shù)編程部分三大塊。其中電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分系統(tǒng)主體，完成對無刷電機(jī)的基本驅(qū)動(dòng)控制， 包含了啟動(dòng)、換相、過零點(diǎn)檢測、剎車、油門信號(hào)捕獲子程序。檢測保護(hù)功能包括電池電壓監(jiān) 測、電流監(jiān)測、油門信號(hào)監(jiān)測，這些功能有些是包含在其他子程序中。參數(shù)編程是在系統(tǒng)剛 運(yùn)行時(shí)，處理用戶設(shè)定個(gè)別系統(tǒng)參數(shù)的子程序。工作過程(如圖2所示)。嵌入式數(shù)字電調(diào)控制器在上電時(shí)首先會(huì)對電源電壓進(jìn)行檢測，其中采用單片機(jī)1 內(nèi)部ADC電源電壓專用通道對其采樣轉(zhuǎn)換。當(dāng)電源電源過高或過低時(shí)，軟件將啟動(dòng)保護(hù)模 式，禁止啟動(dòng)電機(jī)。若電壓正常，將判斷是否進(jìn)入編程模式。編程模式是針對不同用戶設(shè)置系統(tǒng)控制參數(shù)，主要對剎車模式、電池類型、鋰電池 節(jié)數(shù)、低壓保護(hù)方式、低壓保護(hù)閾值等級(jí)和過流保護(hù)閾值等級(jí)、PWM頻率進(jìn)行選擇。程序設(shè) 計(jì)成循環(huán)菜單模式，每個(gè)功能選項(xiàng)用聲音提示，用戶回答“YES”和“NO”進(jìn)行操作進(jìn)入各個(gè) 子菜單。遙控器油門拉到最大時(shí)是回答“YES”，拉到最低時(shí)是回答“NO”。若設(shè)置完成或不 進(jìn)入編程模式，則程序進(jìn)入電機(jī)啟動(dòng)判斷，由用戶決定是否啟動(dòng)電機(jī)。若用戶控制條件滿足 電機(jī)啟動(dòng)，系統(tǒng)將調(diào)用電機(jī)開環(huán)啟動(dòng)程序。無刷電機(jī)的開環(huán)起動(dòng)技術(shù)就是所說的“三段式”起動(dòng)技術(shù)，首先對轉(zhuǎn)子進(jìn)行定位， 然后采用外同步的方式，使電機(jī)逐步加速至預(yù)定速度，當(dāng)可以穩(wěn)定得到反電勢過零點(diǎn)信號(hào) 時(shí)，切換到自同步方式進(jìn)行。其過程為(1)定位導(dǎo)通預(yù)定繞組，并控制電流，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到預(yù)定位置。(2)加速按適當(dāng)?shù)捻樞驅(qū)ɡ@組，控制電壓和換相時(shí)間，使電機(jī)轉(zhuǎn)速逐步上升。(3)切換即將電機(jī)從外同步方式切換到自同步方式，當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到可以穩(wěn) 定檢測反電勢過零點(diǎn)時(shí)，就可以按照控制策略切換到自同步狀態(tài)。電機(jī)閉環(huán)運(yùn)行即自同步狀態(tài)，是指電機(jī)換相過程由電機(jī)自身觸發(fā)，非外部觸發(fā)。觸 發(fā)的條件就是檢測非導(dǎo)通相的反電動(dòng)勢過零點(diǎn)信號(hào)，本方案是由硬件比較器比較電機(jī)相電 壓和電機(jī)中心點(diǎn)電壓活動(dòng)過零點(diǎn)信號(hào)。比較器5輸出的電平跳變信號(hào)由定時(shí)器捕獲中斷檢測，當(dāng)進(jìn)入到其中一個(gè)中斷時(shí)，將按照電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)序完成換相工作。而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速是通過 外部遙控器控制定時(shí)器產(chǎn)生的PWM占空比去調(diào)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)橋的功率管，間接調(diào)節(jié)電機(jī)的平 均電壓來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速?？刂齐姍C(jī)轉(zhuǎn)速的是接收機(jī)輸入到嵌入式數(shù)字電調(diào)控制器的油門信號(hào)，由定時(shí)器 A(TAO)捕獲其高電平時(shí)間，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的PWM占空比值用于電機(jī)調(diào)速。到這時(shí)，在電機(jī)閉環(huán)運(yùn)行狀態(tài)下系統(tǒng)會(huì)不斷的捕獲油門控制信號(hào)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。 并實(shí)時(shí)對油門信號(hào)丟失、電壓、電流進(jìn)行檢測。油門信號(hào)丟失保護(hù)是在捕獲中斷，沒有捕獲到油門脈沖信號(hào)的情況下進(jìn)行自我保 護(hù)的功能。通過開啟內(nèi)部定時(shí)器TA120ms定時(shí)，每到20ms中斷時(shí)(油門信號(hào)周期在20ms 左右)，計(jì)數(shù)值pulSe_Cimt會(huì)自動(dòng)加1，在每次油門信號(hào)捕獲完成后，軟件清除計(jì)數(shù)值，當(dāng)在 累加到50次即IS內(nèi)未能清除說明IS內(nèi)沒有接收到一個(gè)油門信號(hào)，即視為油門信號(hào)丟失， 進(jìn)入保護(hù)措施，在接下來2S內(nèi)自動(dòng)將輸出功率降低到零輸出。電流和電壓的檢測都是用ADC完成的，通過ADC轉(zhuǎn)換得到的值與設(shè)定的閾值進(jìn)行 比較，若連續(xù)三次超過閾值時(shí)，程序?qū)⑦M(jìn)入相應(yīng)的保護(hù)程序中，程序?qū)⒘⒓赐Ｖ箤﹄姍C(jī)的功 率輸出。
權(quán)利要求1.一種嵌入式數(shù)字電調(diào)控制器，其特征在于包括單片機(jī)(1)、與電機(jī)(9)相連的逆變 驅(qū)動(dòng)橋O)、反電動(dòng)勢反饋電路G)、電流反饋電路(6)和電源電路(7)；單片機(jī)(1)的定時(shí) 器B與逆變驅(qū)動(dòng)橋⑵相連，單片機(jī)(1)的另一個(gè)定時(shí)器A與接收機(jī)接口(3)相連，逆變驅(qū) 動(dòng)橋⑵經(jīng)過反電動(dòng)勢反饋電路⑷與單片機(jī)⑴的比較器(5)相連，逆變驅(qū)動(dòng)橋(2)還 經(jīng)過電流反饋電路(6)與單片機(jī)⑴的ADC相連，電源電路(7)與單片機(jī)(1)、接收機(jī)接口 (3)、逆變驅(qū)動(dòng)橋(2)和電源接口(8)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式數(shù)字電調(diào)控制器，其特征在于所述電流反饋電路(6) 包括逆變驅(qū)動(dòng)橋O)與電源地之間串聯(lián)的采樣電阻，采樣電阻產(chǎn)生的壓降經(jīng)運(yùn)放放大后進(jìn) 入單片機(jī)(1)的ADC。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式數(shù)字電調(diào)控制器，其特征在于所述反電動(dòng)勢反饋電 路(4)包括低通RC濾波電路和3個(gè)電阻組成的星形網(wǎng)絡(luò)電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的嵌入式數(shù)字電調(diào)控制器，其特征在于所述單片機(jī)(1) 為 MSP430FR1000 單片機(jī)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種嵌入式數(shù)字電調(diào)控制器，包括單片機(jī)(1)、逆變驅(qū)動(dòng)橋(2)、反電動(dòng)勢反饋電路(4)、電流反饋電路(6)和電源電路(7)；單片機(jī)(1)的定時(shí)器B與逆變驅(qū)動(dòng)橋(2)相連，單片機(jī)(1)的另一個(gè)定時(shí)器A與接收機(jī)接口(3)相連，逆變驅(qū)動(dòng)橋(2)經(jīng)過反電動(dòng)勢反饋電路(4)與單片機(jī)(1)的比較器(5)相連，逆變驅(qū)動(dòng)橋(2)還經(jīng)過電流反饋電路(6)與單片機(jī)(1)的ADC相連，電源電路(7)與單片機(jī)(1)、接收機(jī)接口(3)、逆變驅(qū)動(dòng)橋(2)和電源接口(8)相連。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了對航模無刷直流電機(jī)的有效控制，其硬件電路上結(jié)構(gòu)簡單，縮小了硬件體積，減輕了重量，滿足航模無刷電調(diào)的在各方面的需求。
文檔編號(hào)H02P6/08GK201869146SQ20102062588
公開日2011年6月15日 申請日期2010年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月25日
發(fā)明者朱小夢, 王麗花 申請人:利爾達(dá)科技有限公司