CN106549537A - 一种电子调速器、永磁同步电机组件以及无人飞行器 - Google Patents
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Abstract
本发明实施方式公开了一种电子调速器,包括电源电路、微控制器以及至少一智能功率模块,其中,所述电源电路的输出端连接所述微控制器的输入端,所述微控制器的输出端连接所述至少一智能功率模块的输入端;直流输入由电源电路调整电压后,在微控制器的控制下,通过所述至少一智能功率模块将把直流输入转换为所需要的交流输出。本实施例中提供的电子调速器将预驱动器与MOSFET管集成为智能功率模块,提高了电子调速器的抗干扰能力,减小了电子调速器的体积和占用的空间。
Description
技术领域
本发明实施方式涉及无人机技术领域,特别是涉及一种电子调速器、永磁同步电机组件以及无人飞行器。
背景技术
目前,现有的四旋翼无人机所用电机一般采用永磁同步电机,控制方式有方波控制和正弦控制。无论方波控制或者正弦控制,为了达到速度和稳定性较好的飞行效果,电机的驱动电路会使用三相全桥驱动电路,把直流电转换为电机运行所需要的交流电。
随着无人机市场需求越来越多,用户的需求也越来越多样化,现有的无人机动力装置难以使用在更小巧集成度更高的无人机上。现有的四旋翼无人机的动力装置采用永磁同步电机,该永磁同步电机设置电子调速器。请参阅图1现有的电子调速器包括电源模块、微控制器、预驱动器、六个Mos(Metal-Oxide-Semiconductor,金属-氧化物-半导体)管组成的三相全桥电路,电子调速器的集成度不高。微控制器产生的六路脉冲信号不能直接驱动三相全桥电路单元,需要经过预驱动器增强驱动后再送给三相全桥电路。三相全桥电路单元由六个MOSFET管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,金属氧化物半导体场效应晶体管)组成。现有的四旋翼无人机所采用的电子调速器,其预驱动电路与三相全桥电路的多个MOSFET管分开。
该预驱动器是单独的器件,一个预驱动器为三相全桥电路的所有MOSFET提供保护和控制功能,使得电子调速器抗干扰能力不强。并且,单独的预驱动器器件给电子调速器带来诸多技术问题,比如集成度不高、产品成本高、电路繁琐、体积大、占用空间多,构成调速器的器件多等问题。
因此,现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明实施方式主要解决的技术问题是提供一种电子调速器、永磁同步电机组件以及无人飞行器,根据全桥电路保护和控制的需要将预驱动器集成在三相全桥电路中,提高了电子调速器的抗干扰能力,提高了调速器的集成度,减小了电子调速器的体积和占用的空间。
为解决上述技术问题,本发明实施方式采用的一个技术方案是:
提供一种电子调速器,包括电源电路、微控制器,还包括至少一智能功率模块,其中,该电源电路的输出端连接该微控制器的输入端,该微控制器的输出端连接该至少一智能功率模块的输入端;直流输入由该电源电路调整电压后,在该微控制器的控制下,通过该至少一智能功率模块将直流输入转换为交流输出。
该智能功率模块的一种实施方式为:每一智能功率模块包括预驱动器和两个MOSFET管,该电子调速器由三个智能功率模块完成直流转交流的功能。
该智能功率模块的另一种实施方式为:每一智能功率模块包括预驱动器和六个MOSFET管,该电子调速器由一个智能功率模块完成直流转交流的功能。
优选的,该电子调速器还包括输入端连接该至少一智能功率模块、输出端连接该微控制器的信号处理模块,该信号处理模块包括电压检测单元以及电流检测单元,用于检测该至少一智能功率模块输出的电压信号和电流信号,并反馈给该微控制器。
为解决上述技术问题,本发明实施方式采用的另一个技术方案是:提供一种永磁同步电机组件,包括永磁同步电机和电子调速器,该永磁同步电机包括定子、定子绕组以及转子,该电子调速器连接定子绕组并调节转子转速,该电子调速器包括电源电路、微控制器,该电子调速器还包括至少一智能功率模块,其中,该电源电路的输出端连接该微控制器的输入端,该微控制器的输出端连接该至少一智能功率模块的输入端;直流输入由该电源电路调整电压后,在该微控制器的控制下,通过该至少一智能功率模块将直流输入转换为驱动转子所需要的交流输出。
该智能功率模块的一种实施方式为:每一智能功率模块包括预驱动器和两个MOSFET管,该电子调速器由三个智能功率模块完成直流转交流的功能。
该智能功率模块的另一实施方式为:每一智能功率模块包括预驱动器和六个MOSFET管,该电子调速器由一个智能功率模块完成直流转交流的功能。
优选的,该永磁同步电机组件还包括输入端连接该至少一智能功率模块,输出端连接该微控制器的信号处理模块,该信号处理模块包括电压检测单元以及电流检测单元,用于检测该至少一智能功率模块输出的电压信号和电流信号,并反馈给该微控制器,该微控制器根据该信号处理模块反馈的电压信号和电流信号,估算该永磁同步电机的转速大小。
为解决上述技术问题,本发明实施方式采用的再一个技术方案是:
提供一种无人飞行器,包括机身、安装在机身上的螺旋桨、飞行控制器以及永磁同步电机组件,该永磁同步电机组件包括永磁同步电机和电子调速器;该飞行控制器用于控制驱动螺旋桨的该永磁同步电机,该永磁同步电机包括定子、定子绕组以及转子,该电子调速器连接该飞行控制器以及定子绕组并调节转子转速,该电子调速器包括电源电路、微控制器以及至少一智能功率模块,其中,该电源电路的输出端连接该微控制器的输入端,该微控制器的输出端连接该至少一智能功率模块的输入端;直流输入由该电源电路调整电压后,在该微控制器的控制下,通过该至少一智能功率模块将直流输入转换为驱动转子所需要的交流输出。
该智能功率模块的一种实施方式为:每一智能功率模块包括预驱动器和两个MOSFET管,该电子调速器由三个智能功率模块完成直流转交流的功能。
该智能功率模块的另一实施方式为:每一智能功率模块包括预驱动器和六个MOSFET管,该电子调速器由一个智能功率模块完成直流转交流的功能。
其中,该电子调速器还包括输入端连接该至少一智能功率模块、输出端连接该微控制器的信号处理模块,该信号处理模块包括电压检测单元以及电流检测单元,用于检测该至少一智能功率模块输出的电压信号和电流信号,并反馈给该微控制器,该微控制器根据该信号处理模块反馈的电压信号和电流信号,估算该永磁同步电机的转速大小。
本发明实施方式的有益效果是:本实施例中提供的电子调速器将预驱动器与设定的MOSFET管集成形成智能功率模块,再组合智能功率模块形成具有独立功能的电路,比如完成三相全桥电路的直流转交流的功能,提高了电子调速器的抗干扰能力,提高了调速器的集成度,减小了电子调速器的体积和占用的空间。
附图说明
图1是现有的电子调速器的电路示意图;
图2是本发明实施例提供的一种无人飞行器的结构示意图;
图3是本发明实施例提供的一种永磁同步电机的结构示意图;
图4是本发明实施例提供的一种电子调速器的功能模块图;
图5是本发明实施例提供的一种电子调速器的智能功率模块电路示意图;
图6是本发明实施例提供的一种电子调速器的电路示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白,下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,但并不作为对本发明的限定。
本申请实施例提供的电子调速器、永磁同步电机组件以及无人飞行器,不设置单独预驱动器,而是将预驱动器与MOSFET管集成形成智能功率模块,再组合智能功率模块形成具有独立功能的电路,减少了电子调速器在无人机中所占空间,使得无人飞行器可以制作得更小巧方便。
请参考2,所示为本申请实施例无人飞行器的结构示意图。
该实施例中的无人飞行器采用四旋翼无人机。无人飞行器采用四个小巧的螺旋桨,具有飞行安全控制灵活等特点,并能够实现六个自由度的飞行。可以理解的是,本发明实施例中的无人飞行器可以是单旋翼无人机、四旋翼无人机、六旋翼无人机等等,这里仅是以四旋翼无人机为例进行说明,并不构成对本发明实施例中无人飞行器的限定。
请一并参考图3所示的永磁同步电机的结构示意图,该无人飞行器包括机身70、安装在机身70上的多个螺旋桨62-68、飞行控制器72以及永磁同步电机组件,该永磁同步电机组件包括永磁同步电机50和电子调速器(图中未示出)。该飞行控制器72用于控制驱动多个螺旋桨62-68的多个永磁同步电机50,其中,一个永磁同步电机驱动一个螺旋桨。每一个永磁同步电机50包括定子51、定子绕组(图中未示出)以及转子53。
本实施方式中,飞行控制器72可以包括姿态测量系统、电子调速器模块、主控制模块、无线通信模块和电源模块,以实现有效的探测四旋翼无人机的位置状况,以及实现远距离飞行、远距离控制。
请一并参考图6,本申请实施例中,该电子调速器可以连接于飞行控制器72以及永磁同步电机50的定子绕组,以调节转子53的转速。该电子调速器包括电源电路10、微控制器20以及三相全桥电路30。其中,该三相全桥电路30由至少一个具有电路保护、诊断和控制功能的智能功率模块(Intelligent Power Module,IPM)组合而成。该智能功率模块在下文中也称作IPM模块。在图6所示实施例中的电子调速器的IPM模块,一个IPM模块集成两个MOSFET管,此时需要由三个智能功率32、34、36模块完成直流转交流的功能。本发明实施例中,一个电子调速器可以控制一个永磁同步电机,也可以同时控制几个或所有的永磁同步电机,本发明实施例不作限定。
其中,电源电路10的输出端连接微控制器20的输入端,微控制器20的输出端连接至少一智能功率模块的输入端。直流输入经由电源电路10调整电压后,在微控制器20的控制下,通过该至少一智能功率模块组成的三项全桥电路30将直流输入转换为驱动转子53所需要的交流输出。电源电路10产生微控制器20所需的电压,通常为3.3V或5V。微控制器20根据输入端口的脉冲信号和采集的电压电流信号,产生六路PWM(Pulse Width Modulation,脉冲宽度调制)信号,分别用于控制六个MOSFET管的开关。
请参考图5,该智能功率模块的实施方式可以有多种,在其中一种实施例中,一个智能功率模块可以包括两个MOSFET管和与这两个MOSFET管集成的预驱动器。为了使三相全桥电路实现直流变交流的功能,本实施例中,一个三相全桥电路可以集成有三个智能功率模块。其中,预驱动器为MOSFET管的门极驱动,用于驱动MOSFET管的开关。
本实施例中,采用将两个N型Mos管与预驱动器结合在一起的方案,用3个智能功率模块替代了现有技术中电子调速器的全桥电路的六个晶体管和一个预驱动电路,提高了电路集成,减少了器件所占空间。并且,本实施例将两个N型Mos管和预驱动器集成在一起能够将原先分离的模块集成化处理。本实施方式中,将这种把预驱动器与Mos管集成在一起所构成的部件称之为IPM模块或者智能功率模块。
对本领域一般技术人员来说,可以理解的是预驱动器可以和多个MOSFET管集成,具体集成MOSFET管的数量由最终的电路功能模块决定。
因此,作为该智能功率模块的另一实施方式,本申请实施例提供的电子调速器的IPM模块,可以为一个桥集成两个MOSFET管,此时需要由三个智能功率模块完成直流转交流的功能;也可以延伸到一个桥集成六个MOSFET管的IPM模块,此时,该智能功率模块可以将预驱动器和六个MOSFET管集成,为了使三相全桥电路实现直流变交流的功能,一个三相全桥电路可以集成有一个智能功率模块。本申请实施例的用于无人飞行器的电子调速器,将预驱动器与MOSFET管集成在一起,减少了电子调速器的预驱动器器件,使驱动可靠性大大增加,减小电子调速器在无人飞行器中的占用空间。
其中,集成的MOSFET管也可以有两种实施方式,一种方案是采用3个P沟道MOS管和3个N沟道MOS管。另一种方案是全桥驱动由六个N沟道MOS组成,分别组成上臂和下臂,再设置升压电路。该升压电路可以采用DC-DC升压。
该运用在无人飞行器上的新型电子调速器根据全桥电路保护和控制的需要将预驱动器与MOSFET管集成,再组合形成三相全桥电路,增加的预驱动器提高了电子调速器的抗干扰能力,也增加了调速器的集成度,减小了电子调速器的体积和占用的空间。同时,使得使用该种电子调速器的无人飞行器也可以制作得更小巧轻便。
本申请的电子调速器,包括电源电路10、微控制器20,若干或者至少一智能功率模块。本实施例中,一个或多个智能功率模块组成三相全桥电路将直流输入转换为所需要的交流输出。
请一并参考图4,不同于电路图所示,其为该电子调速器的模块图,具体来说,该电子调速器包括微控制器20、至少一IPM模块38以及信号处理模块40。其中,信号处理模块40的输入端连接至少一IPM模块38、输出端连接微控制器20。一个或多个IPM模块38组成的三相全桥电路将把直流输入转换为所需要的交流输出后,送至电机50,此电机50为永磁同步电机。
如图5所示,本申请实施例的电子调速器的微控制器20可以为单片机,利用单片机进行控制,可以实时监测驱动螺旋桨62-68的电机工作电流及其变化,以较好地控制螺旋桨62-68的驱动力。组合完成直流到交流转换的三个IPM模块38连接微控制器20和电机50的三相。本实施例中,IPM模块38包括预驱动器和两个N沟道MOS管。
IPM模块38连接电源输入的正负极。预驱动器和MOS管之间外连接驱动电阻(图中未示出),该驱动电阻用于抑制震荡,限制电流,以对MOS管起到保护作用。IPM模块38输出连接电机的一相。由此类推,三个IPM模块38输出分别连接电机50的三相。
微控制器20发送PWM信号控制MOSFET管的开关,从而控制电机50的电压。每个IPM模块38半桥电路,为达到三相全桥电路的直流转交流的功能,采用三个IPM模块38,即由三个半桥电路组成。
作为该信号处理模块的一种实施例,该信号处理模块40主要包括电压检测单元和电流检测单元,用于检测至少一IPM模块38输出的电压信号和电流信号,并反馈给微控制器20。信号处理模块40的输出连接微控制器20。微控制器20根据反馈回来的电压信号和电流信号,估算电机50的转速大小,实时控制电机50的运行状态,实行闭环控制。
本技术方案中:该电子调速器将预驱动器与MOSFET管集成形成智能功率模块,再组合智能功率模块形成具有独立功能的电路,比如形成三相全桥电路,提高了电子调速器的抗干扰能力,提高了调速器的集成度,减小了电子调速器的体积和占用的空间。本申请实施例的永磁同步电机组件,不设置单独预驱动器,而是将预驱动器与MOSFET管集成形成智能功率模块,再组合智能功率模块形成具有独立功能的电路,减少了电机组件在无人机中所占空间。本申请实施例的无人飞行器,将预驱动器与MOSFET管集成形成智能功率模块,再组合智能功率模块形成具有独立功能的电路使得无人飞行器更小巧方便。
以上所述仅为本发明的实施方式,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (12)
1.一种电子调速器,包括电源电路、微控制器,其特征在于,还包括至少一智能功率模块,其中,所述电源电路的输出端连接所述微控制器的输入端,所述微控制器的输出端连接所述至少一智能功率模块的输入端;直流输入由所述电源电路调整电压后,在所述微控制器的控制下,通过所述至少一智能功率模块将直流输入转换为交流输出。
2.根据权利要求1所述的电子调速器,其特征在于,每一智能功率模块包括预驱动器和两个MOSFET管,所述电子调速器由三个智能功率模块完成直流转交流的功能。
3.根据权利要求1所述的电子调速器,其特征在于,每一智能功率模块包括预驱动器和六个MOSFET管,所述电子调速器由一个智能功率模块完成直流转交流的功能。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的电子调速器,其特征在于,还包括输入端连接所述至少一智能功率模块、输出端连接所述微控制器的信号处理模块,所述信号处理模块包括电压检测单元以及电流检测单元,用于检测所述至少一智能功率模块输出的电压信号和电流信号,并反馈给所述微控制器。
5.一种永磁同步电机组件,包括永磁同步电机和电子调速器,所述永磁同步电机包括定子、定子绕组以及转子,所述电子调速器连接定子绕组并调节转子转速,所述电子调速器包括电源电路、微控制器,其特征在于,所述电子调速器还包括至少一智能功率模块,其中,所述电源电路的输出端连接所述微控制器的输入端,所述微控制器的输出端连接所述至少一智能功率模块的输入端;直流输入由所述电源电路调整电压后,在所述微控制器的控制下,通过所述至少一智能功率模块将直流输入转换为驱动转子所需要的交流输出。
6.根据权利要求5所述的永磁同步电机组件,其特征在于,每一智能功率模块包括预驱动器和两个MOSFET管,所述电子调速器由三个智能功率模块完成直流转交流的功能。
7.根据权利要求5所述的永磁同步电机组件,其特征在于,每一智能功率模块包括预驱动器和六个MOSFET管,所述电子调速器由一个智能功率模块完成直流转交流的功能。
8.根据权利要求5-7任意一项所述的永磁同步电机组件,其特征在于,还包括输入端连接所述至少一智能功率模块、输出端连接所述微控制器的信号处理模块,所述信号处理模块包括电压检测单元以及电流检测单元,用于检测所述至少一智能功率模块输出的电压信号和电流信号,并反馈给所述微控制器,所述微控制器根据所述信号处理模块反馈的电压信号和电流信号,估算所述永磁同步电机的转速大小。
9.一种无人飞行器,包括机身、安装在机身上的螺旋桨、飞行控制器以及永磁同步电机组件,所述永磁同步电机组件包括永磁同步电机和电子调速器;所述飞行控制器用于控制驱动螺旋桨的所述永磁同步电机,所述永磁同步电机包括定子、定子绕组以及转子,所述电子调速器连接所述飞行控制器以及定子绕组并调节转子转速,所述电子调速器包括电源电路、微控制器,其特征在于,所述电子调速器还包括至少一智能功率模块,其中,所述电源电路的输出端连接所述微控制器的输入端,所述微控制器的输出端连接所述至少一智能功率模块的输入端;直流输入由所述电源电路调整电压后,在所述微控制器的控制下,通过所述至少一智能功率模块将直流输入转换为驱动转子所需要的交流输出。
10.根据权利要求9所述的无人飞行器,其特征在于,每一智能功率模块包括预驱动器和两个MOSFET管,所述电子调速器由三个智能功率模块完成直流转交流的功能。
11.根据权利要求9所述的无人飞行器,其特征在于,每一智能功率模块包括预驱动器和六个MOSFET管,所述电子调速器由一个智能功率模块完成直流转交流的功能。
12.根据权利要求9-11任意一项所述的无人飞行器,其特征在于,还包括输入端连接所述至少一智能功率模块、输出端连接所述微控制器的信号处理模块,所述信号处理模块包括电压检测单元以及电流检测单元,用于检测所述至少一智能功率模块输出的电压信号和电流信号,并反馈给所述微控制器,所述微控制器根据所述信号处理模块反馈的电压信号和电流信号,估算所述永磁同步电机的转速大小。
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