CN103218005A - 一种基于微控制器的智能功率板 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于微控制器的智能功率板，该智能功率板包括功率回路，所述智能功率板进一步包括微控制器，所述微控制器与所述功率回路相连，所述微控制器包括ADC模块、IO模块和通信接口模块；所述ADC模块接收功率回路中的电压采样值；所述IO模块连接继电器模块和温度控制模块，所述通信接口模块通过通信总线与控制回路进行连接，所述通信总线上设置有隔离器件，并且所述通信总线采用的信号连接线的数量为2至6根。通过微控制器组织功率回路的相关数据，使用通信接口与控制回路进行数据交换，可以解决因为状态信号线数目多而引起的两个回路连接和结构布局的问题，提供丰富的、准确的信息数据，并可以通过MCU进行一些简单的辅助控制功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种功率控制装置，尤其涉及一种基于微控制器的智能功率回路和功率板
背景技术
在目前的伺服驱动器、变频器等逆变应用系统中，大多采用功率回路和控制回路分离的结构。
控制回路需要采集功率回路中的相关状态信息，并作出相应的控制，在目前大部分的应用系统中，状态信息和控制信息分别通过单独的信号线在功率回路和控制回路之间进行传输，随着系统智能化水平的提高，需要的状态信息和控制信息会越来越多，功率回路和控制回路之间连接的信号线数目就会随之增多。而连接功率回路和控制回路之间的信号线需要进行强电和弱电隔离，在信号线数增多的情况下，使用的隔离器件个数也按比例的增加，在增加印制板面积的同时，系统成本也随之大幅度地增加，不利于系统结构的规划和PCB板上的布局布线。
同时随着系统布线的复杂程度增加，信号线路径的变长，模拟信号在传输过程中受干扰的可能性变大，影响数据精度，不利于系统的反馈控制，在模拟通路上引入信号调理电路可以有效的拟制干扰，但是会带来成本上的大幅提高；数字信号也会因为干扰出现误动作，引起系统出错，严重的会造成系统故障。这点在大功率的系统中，会因为设计需要使结构分散，使得上述现象变的更加明显。
在目前的应用系统中还缺少有效的温度控制，或者仅仅采用了简单的温度控制方式，会使得效率过低，或者使得局部温度波动过大，无法使功率回路局部温度稳定在一个合理的状态。
而额外的功率板状态智能控制需要占用控制回路MCU的处理时间，影响控制回路MCU的算法处理时间。
以上问题可以通过在功率回路中内置一颗MCU来解决。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于微控制器的智能功率板，该智能功率板包括功率回路，其特征在于：所述智能功率板进一步包括微控制器，所述微控制器与所述功率回路相连，所述微控制器包括ADC模块、IO模块和通信接口模块；所述ADC模块接收功率回路中的电压采样值；所述IO模块连接继电器模块和温度控制模块，所述通信接口模块通过通信总线与控制回路进行连接，所述通信总线上设置有隔离器件，并且所述通信总线采用的信号连接线的数量为2至6根。
在上述技术方案中，所述ADC模块还与功率回路中的PTC模块和NTC模块相连接。
在上述技术方案中，所述通信总线采用2～6线制的通信方式，优选采用SCI、SPI、I2C通信方式之一。
在上述技术方案中，所述通信总线采用串行通信协议，优选采用Modbus通信协议。
在上述技术方案中，所述微控制器与控制回路依据主从关系进行通信，所述微控制器作为从设备，被动接收下行数据帧，并按解析后的内容进行相应的操作。
在上述技术方案中，所述微控制器循环通过通信接口接收控制回路的下行数据，参考微控制器收集的功率回路的状态量，对功率回路中控制节点进行直接快速的控制，所述控制节点包括继电器和刹车开关。
在上述技术方案中，所述微控制器可以在不需要控制回路的干预下实现对功率回路的智能控制，所述智能控制包括：功率回路硬件资源的自检、三相电的缺相检测、功率回路主要供电电源的电压检测及电压跌落的预测、输出转矩不足的预测。
在上述技术方案中，在功率回路中，微控制器执行下述任务中的一项或多项：
依据下行数据帧的内容，参考内部直流母线电压的采样结果，控制直流母线通路上继电器的通断，在系统出错或者故障时断开直流母线的连接，保护系统的安全；
在出现严重问题需要紧急刹车的情况下，直接关断逆变桥调制信号，以保护逆变桥模块及其他重要部件；
读取缺相检测模块的检测信号量，依此判断是否有缺相发生，并依据结果和设定条件进行相应的处理；
发送相应的控制信号，并将反馈信号读回，对功率回路的硬件资源进行相应的检测，所述检测内容包括：各信号通路的隔离器件是否正常，继电器开关动作是否正常，辅助的散热设施是否正常，刹车部分功能是否正常，刹车电阻是否安装及通过母线电压下降速度判断其参数是否合理，各主要供电电源的电压值是否正常。
在上述技术方案中，NTC电压、PTC电压、逆变桥驱动供电电压、电流传感器供电电压和直流母线电压等模拟信号经过硬件滤波等处理后连接到微控制器的AD采样输入端，通过微控制器就近将模拟信号转换为数据信号，并将采样后的数字信号进行滤波等预处理，将处理之后的结果保存在MCU内部的数据缓冲区中。
在上述技术方案中，所述微控制器将内部数据缓冲区中的数据封装成上行数据帧，在控制回路请求时发送上行数据帧。
本发明取得了以下技术效果：
通过微控制器组织功率回路的相关数据，使用通信接口与控制回路进行数据交换，替代每个状态数据使用单独的信号线的技术方案，可以解决因为状态信号线数目多而引起的两个回路连接和结构布局的问题，相对于单独信号线的连接方式，可以提供丰富的、准确的信息数据，并可以通过MCU进行一些简单的辅助控制功能。
附图说明
图1为本发明的整体结构框图；
图2为MCU内部功能流程图；
图3为本发明的功率回路中MCU的功能模块示意图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
本发明的整体结构框图如图1所示，通过在现有功率回路中增加MCU来组织功率回路的相关数据，使用通信接口与控制回路进行交换，替代状态数据使用单独的信号线，可以解决因为状态信号线数目多而引起的两个回路连接和结构布局的问题，相对于单独信号线的连接方式，可以提供丰富的、准确的信息数据，并可以通过MCU进行一些简单的辅助控制功能。
MCU和控制回路可以通过通信总线进行连接，利用SCI(SerialCommunication Interface)、SPI(Serial Peripheral Interface)、I2C(Inter-IntegratedCircuit)等串行通信方式，使用Modbus或者自定义的通信协议，定时或者依照主从关系发送上行数据帧和接受下行数据帧，保证数据高速有效的传输。为保证实时的反馈控制，通信的速率可以按需要设定在几bit/s到几Mbit/s之间。通过通信协议自有的或者额外增加的差错校验机制，可以保证通信数据的正确性和完整性，将外界的干扰影响大幅度降低。在使用上述通信方式的情况下，通信接口需要的信号连接线数可减少为2到6根。相对于目前一个状态量使用一根单独信号连接线的情况下，在保证丰富信息量的同时，可以将信号连接线数减小到最少的限度。在保证系统性能的前提下，可以降低系统成本，有利于系统结构的规划和PCB板的布线布局。
在可选择的一个实施例中，在功率回路和控制回路之间可以选用SCI的通信方式，在全双工的情况下，仅需要通过隔离器件隔离的TX、RX两根信号线；选用9600波特率的传输速率，即可以保证了数据帧的快速传输；选用有效地单字节校验和数据帧的校验方式，则可以保证数据的准确性和完整性。
并且根据实际应用场合的需要，还使用白定义的通信协议，依据主从关系发送上行数据帧和接受下行数据帧，功率回路中的MCU作为从设备，被动接收下行数据帧，并按解析后的内容进行相应的操作，具体流程如图2所示。MCU循环接收下行数据帧，依据下行数据帧的内容，参考MCU收集的功率回路的状态量，对功率回路中一些控制节点进行直接快速的控制，主要包括继电器，刹车开关等。通过MCU可以实现功率回路的一些智能控制，而不需要控制回路的干预，在出现严重问题需要紧急刹车的情况下，可以直接关断逆变桥调制信号，以保护逆变桥模块及装置中的重要部件，将损失降低到最小程度。主要的智能控制包括：功率回路硬件资源的自检，三相电的缺相检测，功率回路主要供电电源的电压检测及电压跌落的预测，输出转矩不足的预测。操作后各IO口的状态数据保存在MCU内部的数据缓冲区中。
依据下行数据帧的内容，参考内部直流母线电压的采样结果，控制直流母线通路上继电器的通断，在系统出错或者故障时断开直流母线的连接，保护系统的安全。同时依据内部的控制算法，在直流母线电压偏高时，灵活地控制刹车开关，保证直流母线电压值稳定在一个合理的状态，检测直流母线电压的变化趋势，判断是否会超出正常值范围，当预测到母线电压按规律持续升高，即将超出正常范围时，给出母线电压超高的状态，将此结果保存并通过通信接口提前反馈给控制回路进行处理。在直流母线电压偏低时，并检测直流母线电压的变化趋势，判断是否会影响到正常的转矩输出，当预测到直流母线电压持续按规律下降并会影响此时的转矩输出时，给出母线电压超低的状态，将此结果保存并通过通信接口提前反馈给控制回路进行相应的处理。
在功率回路主要供电电源跌落的情况下，MCU利用外部的参考源，可以在电压跌落的过程中检测各供电电源的电压，依据MCU内部的控制算法，参考各主要供电电源的电压值，可以检测出各电压值的变化趋势，判断是否会影响到逆变桥驱动信号的上升和下降时间，将结果保存并通过通信接口提前反馈给控制回路，在出现电压跌落的情况下，控制回路可以依据此状态量作出紧急处理以保护功率器件。
依据下行数据帧的内容，参考NTC(负温度系数热敏电阻)电压和PTC(正温度系数热敏电阻)电压的采样结果，拟定功率回路部分温度变化曲线，并依据内部设定的温度阈值，实时的开启和关闭辅助的散热设备来使局部温度保持在稳定的状态，保证功率器件良性的工作环境。并在温度出现异常的情况下告知控制回路采取有效的保护措施。
操作完成之后，MCU按指令内容和自定义的协议要求将MCU内部数据缓冲区中的数据封装成上行数据帧，在控制回路请求时发送上行数据帧。
在功率回路中的MCU功能模块示意图如图3所示，将NTC电压、PTC电压、逆变桥驱动供电电压、电流传感器供电电压和直流母线电压等模拟信号经过硬件滤波等处理后连接到MCU的AD采样输入端，通过MCU就近将模拟信号转换为数字信号，并将采样后的数字信号进行滤波等预处理，处理之后的结果需要保存在MCU内部的数据缓冲区中。这样可以节省调理电路的成本，提高模拟信号的精度，处理之后的数据可以供控制回路直接使用，可以减小控制回路MCU的开销。
在功率回路中，通过MCU读取缺相检测模块的检测信号量，依此判断是否有缺相发生，并依据结果和设定条件进行相应的处理。
在功率回路中，通过MCU发送相应的控制信号，并将反馈信号读回，可以对功率回路的硬件资源进行相应的检测。检测内容如下：各信号通路的隔离器件是否正常，继电器开关动作是否正常，辅助的散热设施是否正常，刹车部分功能是否正常，刹车电阻是否安装及通过母线电压下降速度判断其参数是否合理，各主要供电电源的电压值是否正常。
为了将模拟量信号引入到控制回路中，通过MCU中的AD模块将模拟信号就近转换为数字信号，可以减少模拟信号路径上的干扰，提高模拟信号所表达数据信息的准确性。同时，进行数据的滤波等预处理，控制回路可以直接使用预处理后的数据，减少控制回路的负担。
逆变系统中的热量来源主要是功率回路，MCU可以实时的监控功率回路部分温度，拟定功率回路温度变化曲线，通过开启和关闭辅助散热设备来使温度保持稳定状态。控制回路可以通过通信接口采集实时的温度数据，并在温度异常时对功率回路采取保护措施。
MCU可以通过通信接口接收控制回路的下行数据，参考内部直流母线电压的采样结果，控制继电器的通断，同时依据内部的控制算法，灵活地控制刹车状态，保证直流母线电压值稳定在一个合理的状态。
上述仅为说明本发明原理的优选实施例，凡依本发明范围所做的均等变化和修饰，皆为本发明专利范围所涵盖。
Claims (10)
1.一种基于微控制器的智能功率板，该智能功率板包括功率回路，其特征在于：所述智能功率板进一步包括微控制器，所述微控制器与所述功率回路相连，所述微控制器包括ADC模块、IO模块和通信接口模块；所述ADC模块接收功率回路中的电压采样值；所述IO模块连接继电器模块和温度控制模块，所述通信接口模块通过通信总线与控制回路进行连接，所述通信总线上设置有隔离器件，并且所述通信总线采用的信号连接线的数量为2至6根。
2.根据权利要求1所述的基于微控制器的智能功率板，其特征在于：所述ADC模块还与功率回路中的PTC模块和NTC模块相连接。
3.根据权利要求1所述的基于微控制器的智能功率板，其特征在于：所述通信总线采用2～6线制的通信方式，优选采用SCI、SPI、I2C通信方式之一。
4.根据权利要求3所述的基于微控制器的智能功率板，其特征在于：所述通信总线采用串行通信协议，优选采用Modbus通信协议。
5.根据权利要求2所述的基于微控制器的智能功率板，其特征在于：所述微控制器与控制回路依据主从关系进行通信，所述微控制器作为从设备，被动接收下行数据帧，并按解析后的内容进行相应的操作。
6.根据权利要求5所述的基于微控制器的智能功率板，其特征在于：所述微控制器循环通过通信接口接收控制回路的下行数据，参考微控制器收集的功率回路的状态量，对功率回路中控制节点进行直接快速的控制，所述控制节点包括继电器和刹车开关。
7.根据权利要求6所述的基于微控制器的智能功率板，其特征在于：所述微控制器可以在不需要控制回路的干预下实现对功率回路的智能控制，所述智能控制包括：功率回路硬件资源的自检、三相电的缺相检测、功率回路主要供电电源的电压检测及电压跌落的预测、输出转矩不足的预测。
8.根据权利要求5-7中任意一项所述的基于微控制器的智能功率板，其特征在于：在功率回路中，微控制器执行下述任务中的一项或多项：
依据下行数据帧的内容，参考内部直流母线电压的采样结果，控制直流母线通路上继电器的通断，在系统出错或者故障时断开直流母线的连接，保护系统的安全；
在出现严重问题需要紧急刹车的情况下，直接关断逆变桥调制信号，以保护逆变桥模块及其他重要部件；
读取缺相检测模块的检测信号量，依此判断是否有缺相发生，并依据结果和设定条件进行相应的处理；
发送相应的控制信号，并将反馈信号读回，对功率回路的硬件资源进行相应的检测，所述检测内容包括：各信号通路的隔离器件是否正常，继电器开关动作是否正常，辅助的散热设施是否正常，刹车部分功能是否正常，刹车电阻是否安装及通过母线电压下降速度判断其参数是否合理，各主要供电电源的电压值是否正常。
9.根据权利要求5-8中任意一项所述的基于微控制器的智能功率板，其特征在于：NTC电压、PTC电压、逆变桥驱动供电电压、电流传感器供电电压和直流母线电压等模拟信号经过硬件滤波等处理后连接到微控制器的AD采样输入端，通过微控制器就近将模拟信号转换为数据信号，并将采样后的数字信号进行滤波等预处理，将处理之后的结果保存在MCU内部的数据缓冲区中。
10.根据权利要求5-9中任意一项所述的基于微控制器的智能功率板，其特征在于：所述微控制器将内部数据缓冲区中的数据封装成上行数据帧，在控制回路请求时发送上行数据帧。
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