专利名称：一种嵌入式数字电调控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种数字电调控制器，特别是一种应用于航模飞行器中无刷电机 的嵌入式数字电调控制器。
背景技术：
目前应用于航模飞行器中的无刷电机电子调速器采用的普遍方案是检测反电动 势过零点实现的。即通过不断检测三相无刷电机的相电压和过零点的阈值比较获得电机的 换相时刻，从而采取下一步通电措施确保电机稳定运行。实现反电动势过零点检测主要有两种方法实现，一种是用ADC采样电机的三相相 电压，通过软件比较相电压和电机中心点电压实现过零点检测；另一种是采用硬件比较器 直接比较相点压和中心点电压，软件捕获比较器翻转波形实现过零点的检测。采用ADC软件实现过零点检测，其优点在于检测稳定可靠，抗干扰能力强，误检和 漏检的概率低。但电机控制要求一定的实时性，所以ADC必须实现采样相电压进行软件上 的比较，这样整个MCU的工作负荷会有一定的上升，并且ADC必须有足够的转换速度才行。 在航模应用中，无刷电机平均转速都在10000转/分以上，这样软件比较的频率将会大幅上 升，MCU的负荷将是直接影响电调性能的因素。基本上航模电调所用的控制器都是单片机， 处理速度不会很高。用ADC软件检测过零点，在控制高速运转的电机就存在着瓶颈。而采用硬件比较器就不存在这个技术瓶颈，硬件上的比较速率远远大于软件，软 件上只需采用中断形式捕获比较器电平翻转产生的跳变沿就能实现过零点的检测。这样一 来就大大节省了 MCU的工作负荷，保证了有充足的时间去完成各项辅助功能。而采用硬件 比较器带来的缺点是抗干扰能力弱，容易发生误检和漏检，这必须在硬件上增加滤波电路， 软件上需要进行软件滤波。这样一来，在整个电调硬件设计上增加了许多元器件，甚至有些 单片机无内部比较器，还需外扩，既增加了成本又增加了电调的体积和重量。有悖于航模电 调的设计原则。并且目前采用的所有MCU都是低电压供电(5V或者以下)，而电调的电源是基本是 大于IOV的电池组供电。所以还需增加稳压电路给MCU供电。而MCU对电机的各项参数和 三相电压进行检测，之间的电压又需要先进行分压处理才能进入到MCU，又增加了元器件。
实用新型内容本实用新型的目的在于，提供一种嵌入式数字电调控制器。它采用硬件比较器法， 在控制高速运转的电机不存在瓶颈，且克服了现有硬件比较器抗干扰能力弱，容易发生误 检和漏检的缺点，而且硬件结构简单。本实用新型的技术方案一种嵌入式数字电调控制器，其特征在于包括单片机、 逆变驱动桥、反电动势反馈电路、电流反馈电路和电源电路；单片机的定时器B与逆变驱动 桥相连，单片机的另一个定时器A(TAO)与接收机接口相连，逆变驱动桥经过反电动势反馈 电路与单片机的比较器相连，逆变驱动桥还经过电流反馈电路与单片机的ADC(模数转换器)相连，电源电路与单片机、接收机接口、逆变驱动桥和电源接口相连。前述的嵌入式数字电调控制器中，所述电流反馈电路包括逆变驱动桥与电源地之 间串联的采样电阻，采样电阻产生的压降经运放放大后进入单片机的ADC。前述的嵌入式数字电调控制器中，所述反电动势反馈电路包括低通RC滤波电路 和3个电阻组成的星形网络电路。前述的嵌入式数字电调控制器中所述单片机为MSP430FR1000单片机。其中单片机电源是由外部电源直接提供，中间无需加稳压电路即单片机和逆变驱 动桥的电压是相同的。由于FR1000独有的电气特性，模拟I/O 口承受的电平范围最高为电 源电压。逆变驱动桥实现对电机的换控制。和H桥的设计类似，上管采用P沟道的功率管， 下管采用N沟道的功率管。定时器B (TB)输出的六路PWM经单片机推挽后输出，模拟驱动口最大电平能输出 和驱动电机一样的电压。所以在驱动逆变驱动桥电路设计上不需要再加驱动电路，能直接 驱动。反电动势反馈电路是实现反电动势过零点检测。检测反电动势过零点，是要通过 非导通相的电压与中心电压比较，在相等时刻即为反电动势为0时，在经过30°电气角就 是实际换相时刻。中心电压的提取是通过构建星型网络实现。由于采用PWM调制方式，端电压中带 有干扰信号，所以还要经过低通RC滤波，滤波后的电压可以进入比较器比较。由于FR1000 独有的电气特性，三相反电动势电压可以直接进入比较器输入端，无需再分压处理。滤波后的电压通过三个电阻构成星型网络得到中心点电压，作为比较器的参考电 压进入比较器参考端。在每次反电动势过零点时，比较器输出电平会发生多次跳变。在实 际比较中，由于参考电压和比较电压的波动，会导致比较器输出发生多次跳变，所以比较器 设计为迟滞比较对系统的稳定性更加可靠，FR1000单片机内置可编程迟滞比较器，外部无 需再设计。电流反馈电路是现实对电机电流采样检测。在驱动桥与电源地之间串联一个采样 电阻，电阻产生的压降经运放放大后进入单片机ADC采样转换处理。由于ADC内部电路由 电源电压专用采样通道，所以对电源电源检测无需再外部设计。接收机产生的PPM信号电压范围为0 5V，能直接进入单片机定时器捕获口。 FR1000电调控制器需给接收机提供工作电压，所以必须另加稳压电路给接收机供电。与现有技术相比，本实用新型采用硬件比较器法，在控制高速运转的电机不存在 瓶颈，实现了对航模无刷直流电机的有效控制，其硬件电路上结构简单，缩小了硬件体积， 减轻了重量，满足航模无刷电调的在各方面的需求。本实用新型的电调控制器经过使用测 试，效果良好，电机启动性能高，调速曲线平滑。各项保护措施经破坏性测试，功能有效，无 失灵。
图1是本实用新型的结构示意图；图2是本实用新型工作流程图。
4[0023]附图中的标记为1-单片机，2-逆变驱动桥，3-接收机接口，4-反电动势反馈电 路，5-比较器，6-电流反馈电路，7-电源电路，8-电源接口，9-电机。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明，但并不作为对本实用新型 限制的依据。实施例。一种嵌入式数字电调控制器，结构如图1所示包括单片机1、逆变驱动 桥2、反电动势反馈电路4、电流反馈电路6和电源电路7 ；单片机1的定时器B与逆变驱动 桥2相连，单片机1的另一个定时器A与接收机接口 3相连，逆变驱动桥2经过反电动势反 馈电路4与单片机1的比较器5相连，逆变驱动桥2还经过电流反馈电路6与单片机1的 ADC相连，电源电路7与单片机1、接收机接口 3、逆变驱动桥2和电源接口 8相连。所述电 流反馈电路6包括逆变驱动桥2与电源地之间串联的采样电阻，采样电阻产生的压降经运 放放大后进入单片机1的ADC。所述反电动势反馈电路4包括低通RC滤波电路和3个电阻 组成的星形网络电路。所述单片机1为MSP430FR1000单片机。FR1000嵌入式数字电调控制器软件系统主要分为电机驱动部分，功能检测保护部 分和参数编程部分三大块。其中电机驱动部分系统主体，完成对无刷电机的基本驱动控制， 包含了启动、换相、过零点检测、刹车、油门信号捕获子程序。检测保护功能包括电池电压监 测、电流监测、油门信号监测，这些功能有些是包含在其他子程序中。参数编程是在系统刚 运行时，处理用户设定个别系统参数的子程序。工作过程(如图2所示)。嵌入式数字电调控制器在上电时首先会对电源电压进行检测，其中采用单片机1 内部ADC电源电压专用通道对其采样转换。当电源电源过高或过低时，软件将启动保护模 式，禁止启动电机。若电压正常，将判断是否进入编程模式。编程模式是针对不同用户设置系统控制参数，主要对刹车模式、电池类型、锂电池 节数、低压保护方式、低压保护阈值等级和过流保护阈值等级、PWM频率进行选择。程序设 计成循环菜单模式，每个功能选项用声音提示，用户回答“YES”和“NO”进行操作进入各个 子菜单。遥控器油门拉到最大时是回答“YES”，拉到最低时是回答“NO”。若设置完成或不 进入编程模式，则程序进入电机启动判断，由用户决定是否启动电机。若用户控制条件满足 电机启动，系统将调用电机开环启动程序。无刷电机的开环起动技术就是所说的“三段式”起动技术，首先对转子进行定位， 然后采用外同步的方式，使电机逐步加速至预定速度，当可以稳定得到反电势过零点信号 时，切换到自同步方式进行。其过程为(1)定位导通预定绕组，并控制电流，使转子转动到预定位置。(2)加速按适当的顺序导通绕组，控制电压和换相时间，使电机转速逐步上升。(3)切换即将电机从外同步方式切换到自同步方式，当电机的转速达到可以稳 定检测反电势过零点时，就可以按照控制策略切换到自同步状态。电机闭环运行即自同步状态，是指电机换相过程由电机自身触发，非外部触发。触 发的条件就是检测非导通相的反电动势过零点信号，本方案是由硬件比较器比较电机相电 压和电机中心点电压活动过零点信号。比较器5输出的电平跳变信号由定时器捕获中断检测，当进入到其中一个中断时，将按照电机运转时序完成换相工作。而控制电机转速是通过 外部遥控器控制定时器产生的PWM占空比去调节电机驱动桥的功率管，间接调节电机的平 均电压来控制电机转速。控制电机转速的是接收机输入到嵌入式数字电调控制器的油门信号，由定时器 A(TAO)捕获其高电平时间，进而转换成相应的PWM占空比值用于电机调速。到这时，在电机闭环运行状态下系统会不断的捕获油门控制信号调节电机转速。 并实时对油门信号丢失、电压、电流进行检测。油门信号丢失保护是在捕获中断，没有捕获到油门脉冲信号的情况下进行自我保 护的功能。通过开启内部定时器TA120ms定时，每到20ms中断时(油门信号周期在20ms 左右)，计数值pulSe_Cimt会自动加1，在每次油门信号捕获完成后，软件清除计数值，当在 累加到50次即IS内未能清除说明IS内没有接收到一个油门信号，即视为油门信号丢失， 进入保护措施，在接下来2S内自动将输出功率降低到零输出。电流和电压的检测都是用ADC完成的，通过ADC转换得到的值与设定的阈值进行 比较，若连续三次超过阈值时，程序将进入相应的保护程序中，程序将立即停止对电机的功 率输出。
权利要求1.一种嵌入式数字电调控制器，其特征在于包括单片机(1)、与电机(9)相连的逆变 驱动桥O)、反电动势反馈电路G)、电流反馈电路(6)和电源电路(7)；单片机(1)的定时 器B与逆变驱动桥⑵相连，单片机(1)的另一个定时器A与接收机接口(3)相连，逆变驱 动桥⑵经过反电动势反馈电路⑷与单片机⑴的比较器(5)相连，逆变驱动桥(2)还 经过电流反馈电路(6)与单片机⑴的ADC相连，电源电路(7)与单片机(1)、接收机接口 (3)、逆变驱动桥(2)和电源接口(8)相连。
2.根据权利要求1所述的嵌入式数字电调控制器，其特征在于所述电流反馈电路(6) 包括逆变驱动桥O)与电源地之间串联的采样电阻，采样电阻产生的压降经运放放大后进 入单片机(1)的ADC。
3.根据权利要求1所述的嵌入式数字电调控制器，其特征在于所述反电动势反馈电 路(4)包括低通RC滤波电路和3个电阻组成的星形网络电路。
4.根据权利要求1、2或3所述的嵌入式数字电调控制器，其特征在于所述单片机(1) 为 MSP430FR1000 单片机。
专利摘要本实用新型公开了一种嵌入式数字电调控制器，包括单片机(1)、逆变驱动桥(2)、反电动势反馈电路(4)、电流反馈电路(6)和电源电路(7)；单片机(1)的定时器B与逆变驱动桥(2)相连，单片机(1)的另一个定时器A与接收机接口(3)相连，逆变驱动桥(2)经过反电动势反馈电路(4)与单片机(1)的比较器(5)相连，逆变驱动桥(2)还经过电流反馈电路(6)与单片机(1)的ADC相连，电源电路(7)与单片机(1)、接收机接口(3)、逆变驱动桥(2)和电源接口(8)相连。本实用新型实现了对航模无刷直流电机的有效控制，其硬件电路上结构简单，缩小了硬件体积，减轻了重量，满足航模无刷电调的在各方面的需求。
文档编号H02P6/08GK201869146SQ20102062588
公开日2011年6月15日 申请日期2010年11月25日 优先权日2010年11月25日
发明者朱小梦, 王丽花 申请人:利尔达科技有限公司