CN103856120A - 一种多个四旋翼无人飞行器三相无刷电机调速集成电路设计 - Google Patents

Abstract

一种多个四旋翼无人飞行器三相无刷电机调速集成电路设计，包括四个以ATmega8单片机为主控核心的三相无刷电机调速子模块，电路母板；每个三相无刷电机调速子模块中都包括ATmega8单片机、ISP调试接口、串口通信接口、子模块I2C通信地址选择接口、三相全桥逆变电路；电路母板上有电源模块、电源指示电路、I2C总线通信接口；各三相无刷电机调速子模块都可以借助ISP调试接口与PC机通信，也可以通过串口通信接口与PC机通信或通过航模遥控器直接传递速度信息。

Description

一种多个四旋翼无人飞行器三相无刷电机调速集成电路设计

技术领域

本发明涉及的是一种三相无刷电机转速控制电路的设计。

背景技术

随着四旋翼无人飞行器在国内逐渐发展，四旋翼无人飞行器的电机控制电路也在不断更新，出现基于I2C通信和PWM通信方式的无刷电机调速器，它们能够快速响应信号，并能够输出大电流，使无刷电机在工作时候更稳定。

目前大多数用户采用的四旋翼无人飞行器的电机控制方式是购买商品电调或者是开源项目所提供的电调电路，但这些电路大多都是独立控制一个三相无刷电机，需要同时在飞行器上安装4个电调，这样占用了飞行器的空间，还影响了飞行器的重力分布。

发明内容

本发明的目的在于设计一种能够集成4个三相无刷电机调速电路于一体的电路，能通过I2C总线的方式，实现外部控制设备与4个三相无刷电机调速电路通信，并能够使用航模遥控器来控制三相无刷电机的转速。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的无刷电机调速电路的构成包括四个以ATmega8单片机为控制核心的三相无刷电机调速子模块、即第一无刷电机调速子模块M0至第四无刷电机调速子模块M3，三相无刷电机调速电路主板M；每个三相无刷电机调速子模块中都包括ATmega8芯片C1、ISP调试接口C2、串行通信接口C3、子模块I2C通信地址选择接口C4、三相全桥逆变电路C5、PC机C6、无刷电机C7、电源模块S1、电源指示电路S2、I2C总线通信接口S3、外部控制设备S4、航模遥控器S5；在每个三相无刷电机调速子模块中ISP调试接口C2、串口通信接口C3、子模块I2C通信地址选择接口C4都分别与C1相连，ISP调试接口C2一端连接C1另一端连接PC机C6，串行通信接口C3一端连接C1另一端连接PC机C6或航模遥控器S5，三相全桥逆变电路C5一端连接C1另一端连接三相无刷电机C7，每个模块中的子模块I2C通信地址选择接口C4可以通过跳线帽连接到地来选择子模块在I2C总线中的地址。4个三相无刷电机调速子模块的I2C通信接口管脚均连接到I2C总线通信接口S3，而后与外部控制设备S4相连。

本发明的结构特点是：

1.利用无刷电机调速电路母板同时连接四个三相无刷电机调速子模块。

2.四个三相无刷电机调速子模块通过I2C总线连接在一起，可以同时与外部控制设备通信。

3.四个三相无刷电机调速子模块均设有子模块I2C通信地址选择接口，可以方便的更改每一个三相无刷电机调速子模块的I2C通信地址。

4.每一个三相无刷电机调速子模块都配有线间反电动势检测电路，可以很好的对电机转子位置进行估算，使速度更准确。

5.每一个三相无刷电机调速子模块都配有电压保护电路，可以很好的保护电路安全。

本发明中实际解决的问题是实现了集成4个三相无刷电机调速子模块在一块电路板上，是飞行器的空间解放，并将重心集中，减少了飞行器的飞行质量。

本发明的优点和效果：

1.本发明将4个单独的三相无刷电机调速模块集合在一块电路中，可以统一提供电源，节约了电路成本。

2.每个三相无刷电机调速子模块均为独立的模块，可以完成特定的功能。

3.整个电路采用I2C总线通信方式将4个三相无刷电机调速子模块连接在一起，统一与外部控制设备相连，节省了接口。

4.整个电路的还包括了一个串行通信接口，可以与航模遥控器连接，可以通过航模遥控器来控制电机转速，实现飞行器的遥控飞行。

5.以性价比高的ATmega8单片机为主控芯片，它自身功能强大，具有串行通信模块（SCI）、数模转换器（ADC）和脉宽调制输出模块（PWM），并且支持I2C总线协议如，同时该芯片价格低廉，使整个电路的成本降低，

附图说明

图1 为本发明的系统原理结构图；

图2为过电压保护电路原理图；

图3为I2C通信地址选择接口电路原理图；

图4为ISP调试电路原理图；

图5为系统状态指示电路原理图；

图6为串行通信接口电路原理图；

图7为线间电动势检测电路原理图；

图8a为三相全桥逆变A相电路原理图；

图8b为三相全桥逆变B相电路原理图；

图8c为三相全桥逆变C相电路原理图；

图9为ATmega8单片机的电路原理图；

图10为电路母板上电源模块原理图；

图11为电路母板上电源指示电路原理图；

图12为电路母板上的I2C通信接口电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1，图1是本发明的系统原理结构图；本发明包括三相无刷电机调速子模块和集成三相无刷电机调速子模块的电路主板。四个三相无刷电机调速子模块能够通过子模块I2C通信地址选择接口选择该子模块在I2C总线中的通信地址。每个三相无刷电机调速子模块采用的主控芯片都是ATmega8单片机 C1。C2是ISP调试接口用于系统程序调试，C1它与ATmega8单片机连接，另一端可以连接到PC机C6上，C3是串行通信接口，它构成了ATmega8单片机与PC机 C6的通信通道，同时也构成了ATmega8单片机与航模遥控器S5的通信通道。C4是子模块I2C通信地址选择接口，它一端连接C1另一端可以通过跳线帽来选择是否与地相连，从改变与C1连接端的电平状态，从而在C1中读取相应数地址据。每个三相无刷电机调速子模块的内部结构都是相同的，具体的模块电路连接参考图2。电路主板M上有电源模块S1用来给4个三相无刷电机调速子模块提供电源，另外还有能与外部控制设备相连的I2C总线通信接口S3，一端与每个三相无刷电机调速子模块的I2C通信管脚相连，另一端与外部控制设备相连，实现I2C总线通信。

结合图2到图9，它们是本发明的基于ATmega8单片机的三相无刷电机调速子模块各部分电路原理图；根据系统硬件设计的灵活性和模块化的理念，每个三相无刷电机调速子模块都包括了ISP调试电路、过电压保护电路、线间电动势检测电路、系统状态指示电路、串行通信接口电路、三相全桥逆变电和I2C通信地址选择接口电路。具体电路包括ATmega8芯片C1、ISP调试接口C2、串口通信接口C3、子模块I2C通信地址选择接口C4、三相全桥逆变电路C5、系统状态指示电路D1、过电压保护电路D2、线间电动势检测电路D3。这些都保证了每个CPU系统功能上的独立并增强了整个系统的可靠性。以第4个三相无刷电机调速子模块为例，C1的4、6管脚接+5电源；3、5、21管脚接地； 15、16、17、29管脚是ISP调试管脚与ISP调试接口C2相连；7、8管脚是I2C地址选择管脚，分别与I2C通信地址选择接口电路C4的ADR14和ADR24相连；19管脚是内部AD采样管脚，与过电压保护电路D2的STORM4相连；12、30、31、32管脚是C1的串行通信管脚，分别与C3 串口通信接口的INT04、TXD4、 RXD4、PPM4相连；C1的11、26管脚分别与系统状态指示电路D1的LED_ROT4、LED_GRN4管脚相连；C1的10、23、24、25管脚分别与线间电动势检测电路D3的MITTEL4、NULL_A4、NULL_B4和NULL_C4相连；C1的9、13、14、15、41、42管脚分别于三相全桥逆变电路C5的STEUER_A+4、STEUER_A-4、STEUER_B+4、STEUER_B-4、STEUER_C+4和STEUER_C-4相连，构成三相无刷电机控制电路。

具体而言，图2是过电压保护电路原理图；电路中的STORM4管脚与C1中的19管脚相连。图3是I2C通信地址选择接口电路原理图；电路中的ADR14 、ADR24管脚分别与C1中的7  8引脚相连。图4是ISP调试电路原理图；电路中的STEUER_A+4、RESET4、MISO4、SCK4管脚与C1中的15、16、17、29管脚相连，实现将三相无刷电机控制程序下载至ATmega8芯片C1中。图5是系统状态指示电路原理图；电路中的LED_ROT4、LED_GRN4管脚分别与C1的11、26管脚相连，能够通过LED的闪烁方式来显示系统运行状态。图6是串行通信接口电路原理图；电路中的INT04、TXD4、 RXD4、PPM4管脚分别与C1中的12、30、31、32管脚相连，另一端可以与PC机C6相连以实现串行通信，或者与航模遥控器S5相连以达到通过遥控器直接将转速信号传输至该三相无刷电机调速子模块。图7是线间电动势检测电路原理图；电路中的MITTEL4、NULL_A4、NULL_B4和NULL_C4分别与C1中10、23、24、25管脚相连，电路中的PHASE_A4、PHASE_B4和PHASE_C4与三相无刷电机的3个电流输入端相连接，作用是将三相无刷电机3相线间电动势检测点和中值电压检测点通过电阻网络传给C1，能够确定三相无刷电机转子的位置，而后切换对应的定子磁场。图8a到图8c是驱动三相无刷电机的三相全桥逆变电路原理图；三相全桥逆变A相电路中的STEUER_A+4和STEUER_A-4、三相全桥逆变B相电路中的STEUER_B+4和STEUER_B-4、三相全桥逆变C相电路中的STEUER_C+4和STEUER_C-4分别与C1中9、13、14、15、41、42管脚相连，作为MOS管驱动电压输入，电路中的PHASE_A4、PHASE_B4和PHASE_C4与三相无刷电机的3个电流输入端相连接，以控制三相无刷电机转动。图9是ATmega8单片机的电路原理图，相应管脚连接如上说明。

结合图10，图10为电路母板上电源模块原理图；采用LM2576电压转换芯片来将动力电压转为三相无刷电机调速子模块所需电压。电路中VCC为动力电源电压，即三相无刷电机所的额定电压，+5V与4个三相无刷电机调速子模块中+5V处相连，在电路母板M接入动力电源后，电源模块S1将动力电源稳压至+5V实现为每个三相无刷电机调速子模块提供电源。

结合图11，图11为电路母板上电源指示电路原理图；电路中的LED1在电源模块S1工作后点亮，提示用户本发明所设计的电路开始工作。

结合图12，图12为电路母板上的I2C通信接口电路原理图，电路中GND与整个电路的地相连，SCL和SDA一端与每个三相无刷电机调速子模块中的ATmega8单片机的27、28管脚相连，这样使4个ATmega8单片机均挂在I2C总线上；另一端与外部控制设备的I2C管脚相连，实现了通过外部控制设备与每个三相无刷电机调速子模块的通信。

Claims (6)

1.一种多个四旋翼无人飞行器三相无刷电机调速集成电路设计，其特征是：包括括四个以ATmega8单片机为主控核心的三相无刷电机调速子模块、即第一三相无刷电机调速子模块M1至第四微处理器模块M4，电路母板M；每个三相无刷电机调速子模块中都包括ATmega8芯片C1、ISP调试接口C2、串口通信接口C3、子模块I2C通信地址选择接口C4、三相全桥逆变电路C5；电路母板上有电源模块S1、电源指示电路S2、I2C总线通信接口S3；在每个三相无刷电机调速子模块中ISP调试接口C2、串口通信接口C3、子模块I2C通信地址选择接口C4、三相全桥逆变电路C5都分别与ATmega8单片机C1相连，ISP调试接口C2一端连接ATmega8单片机C1另一端连接PC机C6，串口通信接口C3一端连接ATmega8单片机C1另一端连接PC机C6或者航模遥控器S5；在电路母板上I2C总线通信接口S3一端与4个三相无刷电机调速子模块中的ATmega8单片机C1的I2C管脚相连另一端与外部控制设备S4。

2.根据权利要求1所述的多个四旋翼无人飞行器三相无刷电机调速集成电路设计，其特征是每个三相无刷电机调速子模块的具体构成为：ATmega8单片机C1的4、6管脚接+5电源；3、5、21管脚接地；15、16、17、29管脚是ISP调试管脚与ISP调试接口C2相连；7、8管脚是I2C地址选择管脚，分别与I2C通信地址选择接口电路C4的ADR14和ADR24相连；19管脚是内部AD采样管脚，与过电压保护电路OP的STORM4相连；12、30、31、32管脚是C1的串行通信管脚，分别与串口通信接口C3的INT04、TXD4、 RXD4、PPM4相连；C1的11、26管脚分别与系统状态指示电路LED的LED_ROT4、LED_GRN4管脚相连；C1的10、23、24、25管脚分别与线间电动势检测电路DETEC的MITTEL4、NULL_A4、NULL_B4和NULL_C4相连；C1的9、13、14、15、41、42管脚分别于三相全桥逆变电路C5的STEUER_A+4、STEUER_A-4、STEUER_B+4、STEUER_B-4、STEUER_C+4和STEUER_C-4相连，构成三相无刷电机驱动电路。

3.根据权利要求1所述的多个四旋翼无人飞行器三相无刷电机调速集成电路设计，其特征是电路母板M上电源模块S1一端与动力电源相连，输出端+5V与4个三相无刷电机调速子模块中+5V处相连。

4.根据权利要求1所述的多个四旋翼无人飞行器三相无刷电机调速集成电路设计，其特征是电路母板M上电源指示电路S2中的LED1与电源模块S1电路中的+5V相连。

5.根据权利要求1所述的多个四旋翼无人飞行器三相无刷电机调速集成电路设计，其特征是电路母板上的I2C通信接口电路S3中GND与整个电路的地相连，SCL和SDA一端与每个三相无刷电机调速子模块中的ATmega8单片机的27、28管脚相连。

6.根据权利要求1所述的多个四旋翼无人飞行器三相无刷电机调速集成电路设计，其特征是：外部控制设备与各三相无刷电机调速子模块之间的通信方式都是I2C通信。

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