用于多旋翼无人飞行器的无感无刷直流电机调速器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种用于多旋翼无人飞行器的无感无刷直流电机调速器，每一个调速器对应一个调速电路，每一个调速电路对应一个无感无刷直流电机，调速电路上的三相全桥逆变电路的输出端子与无感无刷直流电机的三相电源输入端子对应连接，MCU处理器电路的GPIO的输出引脚和PWM信号输出引脚与三相全桥逆变电路的输入信号连接，反向感生电动势过零检测电路连接三相全桥逆变电路和MCU处理器电路的模拟比较器输入引脚，电流检测电路与温度检测电路分别到MCU处理器电路的两个AD采样输入引脚连接。本实用新型，利用MCU处理器实现了三相全桥逆变电路PWM控制信号的三路复用，降低了成本，提高了调速器的响应速度，增强了调速器与电机的兼容性。
【专利说明】用于多旋翼无人飞行器的无感无刷直流电机调速器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及无人飞行器领域，具体涉及一种用于多旋翼无人飞行器的无感无刷直流电机调速器。
【背景技术】
[0002]多旋翼无人飞行器是一种由4个、6个或8个旋翼驱动无人飞行器。相比传统的单旋翼带尾桨或共轴双桨无人直升机，此类无人飞行器具有机械结构简单、维护方便、安全性高、机械振动小等优点，在航拍、搜索救援、灾情监测、遥测遥感等领域具有广泛的应用前景。本实用新型涉及的无感无刷直流电机调速器是上述多旋翼无人飞行器的一个关键部件，其用于接收飞行控制计算机的指令并通过调节无感无刷直流电机转速控制旋翼升力，以提供飞行器升降、俯仰、滚转、偏航所需的操纵力和力矩。
[0003]目前，市场上的多旋翼无人飞行器大多采用商用的航模电机调速器，此类调速器以单向的脉冲位置调制(PPM)信号为输入，每个调速器需要飞行控制计算机提供一路独立的PPM信号，因此可扩展性差且无法实时返回电机转速、电机电流、MOS管温度等工况信息。中国实用新型专利CN203289361公开了一种多个四旋翼无人飞行器三相无刷电机调速集成电路，能通过I2C总线实现旋翼电机的调速，但仍存在无法反馈电机运行状态信息的问题，且用于驱动电机的脉冲宽度调制(PWM)信号的周期无法连续改变，降低了调速器对不同电机的兼容性。
实用新型内容
[0004]本实用新型所要解决的是商用航模电机调速器无法反馈电机运行状态信息，并且用于驱动电机的脉冲宽度调制(PWM)信号的周期无法连续改变的技术问题。
[0005]为了解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是提供一种用于多旋翼无人飞行器的无感无刷直流电机调速器，每一个调速器对应一个调速电路，每一个所述调速电路对应一个无感无刷直流电机，每一个所述调速电路均包括:
[0006]三相全桥逆变电路，其三相电源输出端子与无感无刷直流电机的三相电源输入端子对应连接；
[0007]MCU处理器电路，其上集成的PBO、PBl和PB3输出引脚对应与所述三相全桥逆变电路的输入信号A+、B+和C+连接，GP1的H)7、PD5和PD4输出引脚对应与所述三相全桥逆变电路的输入信号A-、B-和C-连接，所述MCU处理器电路的PWM信号输出端与所述三相全桥逆变电路的输入信号A+、B+和C+连接；
[0008]MCU处理器电路，所述三相全桥逆变电路的控制输入信号A+、B+、C+分别与所述MCU处理器电路的GP1引脚PBO、PBU PB3连接，控制输入信号A-、B-、C-分别与所述MCU处理器电路的GP1引脚Η)7、Η)5、Η)4连接，所述三相全桥逆变电路的控制输入信号A+、B+、C+还分别通过电阻器R4、R7、R10与所述MCU处理器电路的PWM信号输出引脚PB2连接，实现PWM信号的三路复用；[0009]反向感生电动势过零检测电路，其输入端与所述三相全桥逆变电路的三相电源输出端子连接，输出端与所述MCU处理器电路的模拟比较器输入引脚连接；
[0010]电流检测电路，检测所述三相全桥逆变电路的总电流，所述电流检测电路的输出端与所述MCU处理器电路的AD采样输入引脚连接。
[0011]在上述技术方案中，所述电流检测电路包括运算放大器、第一电阻R22、第二电阻R23、第三电阻R24、第四电阻R25、第一电容C13和第二电容C14 ；
[0012]所述第一电阻R22与所述第二电阻R23的一端分别连接在所述第一电容C13的两端，另一端与所述三相全桥逆变电路上的三相电源输出端子上的N沟道MOS管的漏极引脚相连，实现所述无感无刷直流电机的电流信号到电压信号的转换，所述运算放大器将所述电压信号放大后传递到所述MCU处理器电路的AD采样输入端，实现对所述无感无刷直流电机的电流检测，所述第三电阻R24的两端分别连接在所述运算放大器的第3引脚和所述第一电容C13上，所述第四电阻R25的两端分别接在所述运算放大器的第3和第4引脚，所述第一电容C13的另一端连接在所述运算放大器的第I引脚上，所述第二电容C14的一端连接在所述运算放大器的第5引脚，另一端接地。
[0013]在上述技术方案中，还包括用于检测所述三相全桥逆变电路MOS管温度的温度检测电路，所述温度检测电路的输出端与所述MCU处理器电路的另一个AD采样输入管脚连接。
[0014]本实用新型，采用集成度高的MCU处理器，实现PWM信号的三路复用，并采用电流检测电路和MOS管温度检测电路，为外部的飞行控制计算机提供了电机电流、MOS管温度信息，实现了对多旋翼无人飞行器中电机状态的监控。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是本实用新型提供的用于多旋翼无人飞行器的无感无刷直流电机调速器的系统原理结构图；
[0016]图2是图1中用于多旋翼无人飞行器的无感无刷直流电机调速器的电路原理图；
[0017]图3是图2中MCU处理器主函数程序流程图；
[0018]图4是图2中MCU处理器定时器I溢出中断处理函数程序流程图；
[0019]图5是图2中MCU处理器定时器I输入捕获中断处理函数程序流程图；
[0020]图6是图2中MCU处理器I2C中断处理函数程序流程图；
[0021]图7是图2中MCU处理器I2C写入命令格式；
[0022]图8是图2中MCU处理器I2C读出数据帧格式。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图对本实用新型做出详细的说明。
[0024]如图1所示，本实用新型提供的用于多旋翼无人飞行器的无感无刷直流电机调速器，每一个调速器对应一个调速电路，每一个调速电路对应一个无感无刷直流电机，每一个调速电路均包括:
[0025]三相全桥逆变电路101，其三相电源输出端子与无感无刷直流电机601的三相电源输入端子对应连接；[0026]MCU处理器电路501，其上集成的PBO、PB I和PB3输出引脚对应与三相全桥逆变电路101的输入信号A+、B+和C+连接，GP1的H)7、PD5和PD4输出引脚对应与三相全桥逆变电路101的输入信号A-、B-和C-连接，MCU处理器电路501的PWM信号输出端与三相全桥逆变电路101的输入信号A+、B+和C+连接，实现PWM信号三路复用；
[0027]反向感生电动势过零检测电路201，其输入端与三相全桥逆变电路101的三相电源输出端子连接，输出端与MCU处理器电路501的模拟比较器输入引脚连接；
[0028]电流检测电路301，检测三相全桥逆变电路101的总电流，电流检测电路301的输出端与MCU处理器电路501的AD采样输入引脚连接。
[0029]电流检测电路301包括运算放大器、第一电阻R22、第二电阻R23、第三电阻R24、第四电阻R25、第一电容C13和第二电容C14 ；
[0030]所述第一电阻R22与所述第二电阻R23的一端分别连接在所述第一电容C13的两端，另一端与所述三相全桥逆变电路上的三相电源输出端子上的N沟道MOS管的漏极引脚相连，实现所述无感无刷直流电机的电流信号到电压信号的转换，所述运算放大器将所述电压信号放大后传递到所述MCU处理器电路的AD采样输入端，实现对所述无感无刷直流电机的电流检测，所述第三电阻R24的两端分别连接在所述运算放大器的第3引脚和所述第一电容C13上，所述第四电阻R25的两端分别接在所述运算放大器的第3和第4引脚，所述第一电容C13的另一端连接在所述运算放大器的第I引脚上，所述第二电容C14的一端连接在所述运算放大器的第5引脚，另一端接地。
[0031]MOS管温度检测电路401，温度检测电路401的输出端与MCU处理器电路501的另一个AD米样输入管脚连接。
[0032]图2为本实用新型的用于多旋翼无人飞行器的无感无刷直流电机调速器的电路原理图，三相全桥逆变电路101由电压转换芯片Ul (LMR62014)、MOS管驱动芯片U2/U3/U4 (NCP5106)、第一 N沟道MOS管Q1、第二 N沟道MOS管Q2、第三N沟道MOS管Q3、第四N沟道MOS管Q4、第五N沟道MOS管Q5、第六N沟道MOS管Q6及相应的电阻器、电容器、电感器、二极管组成；电压转换芯片Ul (LMR62014)、电容器Cl、C2、C3、电阻器Rl、R2、R3、电感器L1、二极管Dl构成升压转换电路，将+5V输入电压转换成+12V电压，用于MOS管驱动芯片U2/U3/U4 (NCP5106)的供电；MOS管驱动芯片U2 (NCP5106)、第一 N沟道MOS管Q1、第二 N沟道MOS管Q2、电容器C4、C5、电阻器R5、R6、二极管D2构成三相全桥逆变电路的A相电路；M0S管驱动芯片U3 (NCP5106)、第三N沟道MOS管Q3、第四N沟道MOS管Q4、电容器C6/C7、电阻器R8/R9、二极管D3构成三相全桥逆变电路的B相电路；M0S管驱动芯片U4(NCP5106)、第五N沟道MOS管Q5、第六N沟道MOS管Q6、电容器C8、C9、电阻器R11、R12、二极管D4构成三相全桥逆变电路的C相电路；第一 N沟道MOS管Q1、第三N沟道MOS管Q3、第五N沟道MOS管Q5的源极引脚与电机的工作电压VBAT连接；三相全桥逆变电路的输出信号OUTA、OUTB、OUTC通过电机接口 Jl与无感无刷直流电机的三个输入端连接；三相全桥逆变电路的输入信号A-、B-、C-分别与MCU处理器U6 (ATmegal68)的GP1输出引脚Η)7、PD5, PD4连接，用于驱动下臂N沟道MOS管；三相全桥逆变电路的输入信号Α+、B+、C+分别与MCU处理器U6 (ATmegal68)的GP1输出引脚PBO、PBU PB3连接，用于驱动上臂N沟道MOS管；三相全桥逆变电路的输入信号A+、B+、C+同时也通过电阻器R4、R7、RlO与MCU处理器U6 (ATmegal68)定时器IPWM输出引脚PB2产生的PWM信号连接，实现PWM信号的多路复用。PWM信号的多路复用是这样实现的:PBO设为悬空输入，PBl (B+)、PB3 (C+)输出零，PWM信号作用于A+;PB1设为悬空输入，PBO (A+)、PB3 (C+)输出零，PWM信号作用于B+;PB3设为悬空输入，PBO (A+)、PB1 (B+)输出零，PWM信号作用于C+。
[0033]反向感生电动势过零检测电路201的输入端与三相全桥逆变电路的输出信号OUTA, OUTB, OUTC连接；电路输出信号A相分压信号NULLA、B相分压信号NULLB、C相分压信号NULLC、中点电压信号NULL分别与MCU处理器U6 (ATmegal68)的模拟比较器输入管脚PC0、PC1、PC2、PD6连接，实现无感无刷电机三相过零的检测；其中:NULL信号连接到模拟比较器的正输入端，NULLA, NULLB, NULLC信号经过内置多路选择器ADMUX后连接到模拟比较器的负输入端，通过设置多路选择器ADMUX可选择NULLA、NULLB、NULLC信号分别与NULL信号比较，以实现比较器复用，有效简化电路设计并降低系统成本。反向感生电动势过零检测电路201的作用是通过检测第三相反向感生电动势的过零点确定电机转子位置，确定换向时机。
[0034]电流检测电路301由运算放大器U5 (0PA348SC)、电容器C13和C14以及电阻器R22、R23、R24和R25组成。电阻器R22 —端与第二 N沟道MOS管Q2、第四N沟道MOS管Q4、第六N沟道MOS管Q6的漏极引脚连接，另一端接地，将电机工作电流信号转换成电压信号；该电压信号通过由运算放大器U5 (0PA348SC)及相应电容器、电阻器构成同相放大电路获得放大99倍的电压输出信号Ic ;电压输出信号Ic与MCU处理器U6 (ATmegal68)的AD采样输入引脚PC3连接，实现电流的检测。
[0035]温度检测电路401由NTC负温度系数电阻器R26、电阻器R27及电容器C15组成；NTC负温度系数电阻器R26将温度信号转化成电阻信号；电阻信号通过由NTC负温度系数电阻器R26、电阻器R27组成的分压电路转换成电压信号Tmpr ；电容器C15起滤波作用；电压信号Tmpr与MCU处理器U6 (ATmegal68)的AD采样输入引脚ADC7连接，实现温度的检测。
[0036]MCU处理器电路501由MCU处理器U6 (ATmegal68)、晶体振荡器OSCl (16MHz)、电容器(:16、(:17、(:18、(:19、电阻器1?28、及12(:接口12组成，相应引脚连接如图2所示。MCU处理器电路501对应的软件基于WinAVR集成开发环境设计，软件由主函数、定时器I溢出中断处理函数、定时器I输入捕获中断处理函数、I2C中断处理函数组成。
[0037]如图3所示，为MCU处理器主函数程序流程图，电机调速器I2C地址、PWM驱动信号周期、电机启动阈值PWM_STA、电机关闭阈值PWM_ST0这四个电机运行参数保存在MCU处理器U6 (ATmegal68)内置的EEPROM存储器中，并在上电复位后被读取。
[0038]在硬件初始化过程中，连接三相全桥逆变电路101输入端的PBO、PBU PB2、PB3、PD7, PD5, PD4引脚设置为输出零状态；连接反向感生电动势过零检测电路201输入端的PCO、PCU PC2、PD6引脚设置为悬空输入状态；连接电流检测电路301输出端的PC3引脚设置为悬空输入状态；用于I2C通讯的PC4、PC5引脚设置为上拉输入状态；MCU处理器U6 (ATmegal68)定时器O设置为2MHz自由运行，用于精确定时与延时；I2C总线地址设为EEPROM读取的地址；MCU处理器U6 (ATmegal68)模拟比较器输出设置为定时器I输入捕获模块的输入；MCU处理器U6 (ATmegal68)定时器I设置为16MHz运行，其PWM输出模块设置为以OCRlA寄存器值为周期、OCRlB寄存器值为高电平时长的快速PWM模式，如此可实现PWM驱动信号周期在1-65536 (0.0625-4096微秒)之间以I (0.0625微秒)为步进的调整，有效提升了电机调速器与电机的兼容性。
[0039]电机处于停止状态时，当飞行控制计算机701发送PWM_CMD值大于电机启动阈值PWM_STA时，电机进入开环启动。在开环启动过程中:程序循环导通无感无刷电机的AB相、AC相、BC相、BA相、CA相、CB相，换向周期初始值设为30毫秒并在每次换向后设为原来的93%以使电机缓慢加速；当换向周期小于2.5毫秒时转入闭环运行状态。
[0040]电机处于闭环状态时，当飞行控制计算机701发送PWM_CMD值小于电机关闭阈值PWM_ST0时，所有N沟道MOS管关闭，电机进入停止状态；否则将OCRlB更新为PWM_CMD值，以调整PWM信号占空比，实现电机调速。
[0041]电机电流和MOS管温度每50毫秒采样一次，在50毫秒定时到后，程序启动MCU处理器U6 (ATmegal68)内置的ADC依次对PC3、ADC7引脚上的电压进行采样，获得电流采样值ADC_Ic和温度采样值ADC_Tmpr ;真实的电机工作电流为0.0986XADC_Ic安培；真实的MOS 管温度为 I/[In (76.8/ADC_Tmpr-0.3)/3380+1/298.15]-275.15 摄氏度。
[0042]如图4所示，为MCU处理器定时器I溢出中断处理函数程序流程图，定时器I每过OCRlA个时钟周期溢出一次并进入溢出中断处理函数使记录溢出次数的变量T1_0VF自增1，用于电机转速的计算。
[0043]如图5所示，为MCU处理器定时器I输入捕获中断处理函数程序流程图，MCU处理器U6 (ATmegal68)模拟比较器输出的变化会触发定时器I的输入捕获中断。在中断处理程序中，当前电机为AB相导通且比较器输出I时，程序设置PBO为悬空输入、PD4输出1、PB1、PB3、PD7、PD5输出O使电机AC相导通，设置模拟比较器负端输入为PCl引脚以检测B相过零事件，设置定时器I输入捕获为下降沿触发，同时计算电机转速；当前电机为AC相导通且比较器输出O时，程序设置PBl为悬空输入、PD4输出1、PB0、PB3、PD7、PD5输出O使电机BC相导通，设置模拟比较器负端输入为PCO引脚以检测A相过零事件，设置定时器I输入捕获为上升沿触发；当前电机为BC相导通且比较器输出I时，程序设置PBl为悬空输入、PD7输出1、PB0、PB3、PD5、PD4输出O使电机BA相导通，设置模拟比较器负端输入为PC2引脚以检测C相过零事件，设置定时器I输入捕获为下降沿触发；当前电机为BA相导通且比较器输出O时，程序设置PB3为悬空输入、PD7输出1、PB0、PB1、PD5、PD4输出O使电机CA相导通，设置模拟比较器负端输入为PCl引脚以检测B相过零事件，设置定时器I输入捕获为上升沿触发；当前电机为CA相导通且比较器输出I时，程序设置PB3为悬空输入、PD5输出1、PBO, PBU PD7, PD4输出O使电机CB相导通，设置模拟比较器负端输入为PCO引脚以检测A相过零事件，设置定时器I输入捕获为下降沿触发；当前电机为CB相导通且比较器输出O时，程序设置PBO为悬空输入、PD5输出1、PB1、PB3、PD7、PD4输出O使电机AB相导通，设置模拟比较器负端输入为PC2管脚以检测C相过零事件，设置定时器I输入捕获为上升沿沿触发。在中断返回之前，如果模拟比较器输出发生了变化，则回到中断入口重新执行上述换向程序。
[0044]无感无刷直流电机的转速是通过测量的周期计算得到的:每次从AB相换到AC相时，保存输入捕获单元的捕获值ICR，结合上次捕获值ICRO与定时器I溢出次数T1_0VF，电机的电周期T=T1_0VFX0CR1A+ICR-1CR0 ;相应的转速为I/(ηΤ)，η为电机极对数；每次计算完成后T1_0VF需清零以保证周期测量的正确性。
[0045]如图6所示，为MCU处理器I2C中断处理函数程序流程图，MCU处理器U6(ATmegal68)的I2C总线工作于从机模式，飞行控制计算机701通过4条命令设置电机调速器的PWM_CMD值、PWM驱动信号周期、电机启动阈值PWM_STA、电机关闭阈值PWM_STO，具体命令格式如图7所示。其中:SLA为电机调速器的I2C地址，W表示写；命令号为I个字节，数值0、1、2、3分别表示后面的高字节、低字节数据为PWM_CMD值、PWM驱动信号周期、电机启动阈值PWM_STA、电机关闭阈值PWM_STO的高字节和低字节；校验码为一个字节的异或校验码。
[0046]飞行控制计算机701从电机调速器读取电机运行状态的命令格式如图8所示。其中:SLA为电机调速器的I2C地址，R表示读；电机转速为2字节，单位为rpm ；电机电流为I字节，分辨率为0.1安培；M0S管温度为I字节，单位为摄氏度；校验码为一个字节的异或校验码。
[0047]本实用新型，采用I2C总线为通讯接口，外部的飞行控制计算机能通过一个I2C接口与多个调速器连接，与商用的航模电机调速器相比，用I2C总线取代了脉冲位置调制(PPM)接口，降低接口复杂度的同时增强了系统的可扩展性；增加了电机转速、电机电流、MOS管温度的查询功能，有助于飞行控制计算机对电机状态的监控；实现了电机PWM驱动信号周期以0.0625微秒为步进的连续调整，有效提升了电机调速器对于电机的适配性；因此更加适合在多旋翼无人飞行器上使用，符合多旋翼无人飞行器技术发展的趋势。
[0048]本实用新型不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本实用新型的启示下作出的结构变化，凡是与本实用新型具有相同或相近的技术方案，均落入本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.用于多旋翼无人飞行器的无感无刷直流电机调速器，每一个调速器对应一个调速电路，每一个所述调速电路对应一个无感无刷直流电机，其特征在于，每一个所述调速电路均包括: 三相全桥逆变电路，其三相电源输出端子与无感无刷直流电机的三相电源输入端子对应连接； MCU处理器电路，所述三相全桥逆变电路的控制输入信号A+、B+、C+分别与所述MCU处理器电路的GP1引脚PB0、PB1、PB3连接，控制输入信号A_、B_、C_分别与所述MCU处理器电路的GP1引脚PD7、PD5、PD4连接，所述三相全桥逆变电路的控制输入信号A+、B+、C+还分别通过电阻器R4、R7、R10与所述MCU处理器电路的PWM信号输出引脚PB2连接，实现PWM 号的二路复用； 反向感生电动势过零检测电路，其输入端与所述三相全桥逆变电路的三相电源输出端子连接，输出端与所述MCU处理器电路的模拟比较器输入引脚连接； 电流检测电路，检测所述三相全桥逆变电路的总电流，所述电流检测电路的输出端与所述MCU处理器电路的AD采样输入引脚连接。
2.如权利要求1所述的用于多旋翼无人飞行器的无感无刷直流电机调速器，其特征在于，所述电流检测电路包括运算放大器U5、第一电阻R22、第二电阻R23、第三电阻R24、第四电阻R25、第一电容C13和第二电容C14 ； 所述第一电阻R22与所述第二电阻R23的一端分别连接在所述第一电容C13的两端，另一端与所述三相全桥逆变电路上的三相电源输出端子上的N沟道MOS管的漏极引脚相连，实现所述无感无刷直流电机的电流信号到电压信号的转换，所述运算放大器将所述电压信号放大后传递到所述MCU处理器电路的AD采样输入端，实现对所述无感无刷直流电机的电流检测，所述第三电阻R24的两端分别连接在所述运算放大器的第3引脚和所述第一电容C13上，所述第四电阻R25的两端分别接在所述运算放大器的第3和第4引脚，所述第一电容C13的另一端连接在所述运算放大器的第I引脚上，所述第二电容C14的一端连接在所述运算放大器的第5引脚，另一端接地。
3.如权利要求1所述的用于多旋翼无人飞行器的无感无刷直流电机调速器，其特征在于，还包括用于检测所述三相全桥逆变电路MOS管温度的温度检测电路，所述温度检测电路的输出端与所述MCU处理器电路的另一个AD采样输入引脚连接。
【文档编号】H02P6/08GK203827230SQ201420128117
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年3月20日 优先权日:2014年3月20日
【发明者】李艳, 徐玉, 童长飞, 刘军, 孙柴成 申请人:温州大学