一种无刷直流电机驱动实时嵌入式控制电路的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种无刷直流电机驱动实时嵌入式控制电路，属于电子技术领域。
【背景技术】
[0002]近年来，四轴飞行器的研究和应用范围逐步扩大，它采用四个无刷直流电机作为其动力来源。无刷直流电机为外转子结构，直接驱动螺旋桨高速旋转。无刷主流电机的驱动控制方式主要分为有位置传感器和无位置传感器的控制方式两种。由于在四轴飞行器中的要求无刷直流电机控制器要求体积小、重量轻、高效可靠，因而采用无位置传感器的无刷直流电机。无刷直流电机驱动控制系统包括驱动电路和系统程序控制两部分。采用功率管的开关特性构成三相全桥驱动电路，之后使用DSP作为主控芯片，借助其强大的运算处理能力，实现电机的启动与控制，但电路结构复杂成本高，缺乏经济性。直流无刷电机的换向采用反电势过零检测法，一旦检测到第三相的反电势过零点就为换向做准备。反电势过零检测采用虚拟中性点的方法，通过检测电机各相的反电势过零点来判断转子位置。而基于电机三相绕组端电压变化规律的电机电流换向理论，可以大大提高系统控制精度。本无刷直流电机的驱动电路采用三相六臂全桥电路，控制电路的管理控制芯片采用单片机ATMEGA实现，以充分发挥其高性能、资源丰富的特点，因而外围电路结构简单。无刷直流电机采用软件启动和PWM速度控制的方式，实现电机的启动和稳定运行，大大提高四轴飞行器无刷直流电机的调速和控制性能。
【发明内容】
[0003]本实用新型提供了一种无刷直流电机驱动实时嵌入式控制电路，以用于解决现有电路结构复杂成本高，缺乏经济性等不足。
[0004]本实用新型的技术方案是:一种无刷直流电机驱动实时嵌入式控制电路，包括单片机模块、驱动控制电路、反电势检测电路；其中驱动控制电路、反电势检测电路分别与单片机模块连接。(其中驱动控制电路中的Al引脚、A2引脚、A3引脚与单片机ATMEGA的硬件PWM驱动信号输出管脚(单片机上任意未使用的PA、PB、PC、PD管脚中的三个)相接，BI引脚、B2引脚、B3引脚与单片机的I/O接口(单片机上任意未使用的与PffM驱动信号输出管脚不重复的PA、PB、PC、H)管脚中的三个)相连接；反电势检测电路中的中性点N与单片机ATMEGA的INT2引脚相接，Ain引脚、Bin引脚、Cin引脚分别接单片机ATMEGA的ADCO引脚、ADCl引脚、ADC2引脚。)
[0005]所述单片机模块包括单片机ATMEGA、时钟电路、复位电路、电阻模块、整流二极管模块、在线下载方式模块ISP、在线仿真接口模块JTAG ;其中单片机ATMEGA的Xl引脚和X2引脚接时钟电路，RST引脚接按键复位电路，单片机ATMEGA中内置的A/D转换器的模拟输入端PAO引脚-PA7引脚串接一个上拉电阻模块，然后通过上拉电阻模块连接至由八个发光二极管组成的整流二极管模块，然后通过整流二极管模块连接至5V电源VCC，MOSI引脚、MISO引脚、SCK引脚、RESET引脚与在线下载方式模块ISP相连接，TDI引脚、TDO引脚、TMS引脚、TCK引脚与在线仿真接口模块JTAG相连接。
[0006]所述驱动控制电路包括定值电阻Rl、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、Rll、R12，PNP型晶体管Tl、T2、T3，NPN型三极管Ql、Q2、Q3，PNP型三极管Q4、Q5、Q6，三个12V稳压直流电源；其中定值电阻Rl的一端为驱动控制电路A的Al端，另一端接入PNP型晶体管Tl的基极，PNP型晶体管Tl的集电极通过定值电阻R2与NPN型三极管Ql的并联电路连接至12V稳压直流电源VCC，PNP型晶体管Tl的发射极直接接大地，定值电阻R3的一端为驱动控制电路A的BI端，另一端与定值电阻R4和PNP型三极管Q4的并联电路串联，PNP型三极管Q4的集电极与NPN型三极管Ql的发射极相连接，PNP型三极管Q4的发射极直接接入大地；定值电阻R5的一端为驱动控制电路B的A2端，另一端接入PNP型晶体管T2的基极，PNP型晶体管T2的集电极通过定值电阻R6与NPN型三极管Q2的并联电路连接至12V稳压直流电源VCC，PNP型晶体管T2的发射极直接接大地，定值电阻R7的一端为驱动控制电路B的B2端，另一端与定值电阻R8和PNP型三极管Q5的并联电路串联，PNP型三极管Q5的集电极与NPN型三极管Q2的发射极相连接，PNP型三极管Q5的发射极直接接入大地；定值电阻R9的一端为驱动控制电路C的A3端，另一端接入PNP型晶体管T3的基极，PNP型晶体管T3的集电极通过定值电阻RlO与NPN型三极管Q3的并联电路连接至12V稳压直流电源VCC，PNP型晶体管T3的发射极直接接大地，定值电阻Rll的一端为驱动控制电路C的B3端，另一端与定值电阻R12和PNP型三极管Q6的并联电路串联，PNP型三极管Q6的集电极与NPN型三极管Q3的发射极相连接，PNP型三极管Q6的发射极直接接入大地；驱动控制电路中的Al引脚、Al引脚、A3引脚与单片机ATMEGA的硬件PffM驱动信号相接，BI引脚、B2引脚、B3引脚与单片机的I/O 口相连接。
[0007]所述反电势检测电路包括定值电阻R13、R14、R15、R16、R17、R18、R19、R20、R21 ；其中定值电阻R13与定值电阻R16串联，定值电阻R14与定值电阻R17串联，定值电阻R15与定值电阻R18串联，这三组由两个定值电阻组成的串联电路最后并联，一端为反电势检测电路的中性点N点，另一端接入A、B、C三相，定值电阻Rl9、定值电阻R20、定值电阻R21并联，一端接入大地，另一端作为反电势检测电路的Ain引脚、Bin引脚、Cin引脚；中性点N与单片机ATMEGA的AINO引脚相接，Ain引脚、Bin引脚、Cin引脚分别接单片机ATMEGA的ADCO引脚、ADCl引脚、ADC2引脚；不停地比较中性点N电压与A、B、C三相三个端点电压的大小，以检测出每相感应电动势的过零点。
[0008]本实用新型的工作原理是:
[0009]无刷直流电机的驱动电路采用三相六臂全桥电路，控制电路的管理控制芯片采用单片机ATMEGA实现，利用其高性能、资源丰富的特点，使得外围电路结构简单。无刷直流电机的驱动电路采用软件启动和PWM速度控制的方式，其中，三相六臂全桥电路与普通高等教育“十二五”国家及规划教材《电子电子技术》中的三相六臂全桥电路所述一致，电机的软件启动和PWM速度控制的方式与普通高等教育^一五，’国家及规划教材《电机与拖动》中所述的电机软件启动和PWM速度控制方式一致，充分实现电机的启动和稳定运行，大大提高无刷直流电机的调速和控制性能。
[0010]所述的无刷直流电机控制系统，因为电机不转或转速很低时，反电势无法检测，因而采用软件启动的方式。针对无位置传感器无刷直流电机的控制，本专利采用三步启动的方法，首先，给A，B相通电一段时间以固定电机转子位置；六状态轮流换向，通电时间逐步减少；检测第三相的反电势，若正常则启动成功，否则重新启动。单片机ATMEGA根据检测到的电机转子位置，利用MOSFET的开关特性，实现电机的通电控制，例如，当Ql、Q5打开时，AB相导通，此时电流流向为电源正极一Ql —绕组A —绕组B — Q5 —电源负极。类似的，当MOSFET打开顺序分别为Ql、Q5，QU Q6，Q2、Q6，Q2、Q4，Q3、Q4，Q3、Q5时，只要在合适的时机进行准确换向，就可实现无刷直流电机的连续运转。当电机通电正常连续转动后反电势检测法进行。无刷直流电机能够正常连续运转，就要对转子位置进行检测，从而实现准确换向，由于无刷直流电机要求系统结构简单、重量轻，因而采用无位置传感器的方式，利用第三相产生的感生电动势过零点时刻延迟30°换向，由于无刷直流电机的两相导通模式，因而可以利用不导通的第三相检测反电势的大小；反电势检测电路，中性点N与单片机的AINO相接，Ain, Bin，Cin分别接单片机的ADCO，ADCl，ADC2.不停地比较中性点N电压与A，B，C三相三个端点电压的大小，以检测出每相感应电动势的过零点。单片机ATMEGA模拟比较器的正向输入端为ΑΙΝ0，负向输入端则根据ADMUX寄存器的配置而选择ADCO，ADCl，ADC2，从而利用了单片机ATMEGA自带的模拟比较器的复用功能。当A，B相通电期间，C相反电势与中性点N进行比较，类似的，就可以成功检测出各相的过零事件，当电机的反电势检测出来后，就可以找到反电势的过零点，在反电势过零后延迟30 °电角度进行换向操作。无刷直流电机的驱动电路采用三相六臂全桥驱动方式，采用此方式可以减少电流波动和转矩脉动，使得电机输出较大的转矩。在电机驱动部分使用6个功率场效应管控制输出电压，直流无刷电机驱动电路电源电压为12V驱动电路中，三极管Q1-Q3采用IRFR 5305 (P沟道)，三极管Q4-Q6为IRFR 1205 (N沟道)。该场效应管内藏续流二极管，为场效应管关断时提供电流通路，以避免管子的反向击穿；A1-A3提供三相全桥上桥臂栅极驱动信号，并与单片机ATMEGA的硬件PffM驱动信号相接，通过改变PffM信号的占空比来实现电机转速控制，B1-B3提供下桥臂栅极驱动信号，由单片机的I/O 口直接提供，具有导通与截止两种状态；无刷直流电机驱动控制采用三相六状态控制策略，功率管具有六种触发状态