CN112511046A - 一种无人机弹射器快速刹车及能量回收电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种无人机弹射器快速刹车及能量回收电路，涉及无人机弹射器技术领域，能够实现电源正常供电和刹车能量回收的切换，防反压、输出电流强、电路实现简单；该电路包括：电机驱动通路，用于驱动电机正常工作；能量回收通路，用于进行能量的回收并为电源装置充电；切换电路，用于实现供电模式和能量回收模式的切换；控制器，用于控制切换电路进行模式切换以及控制电机驱动通路对电机进行驱动；电源装置，用于供电以及接收回收的电能；能量回收通路包括：超级电容，用于存储回收的能量；反向抑制电路，用于实现超级电容为电源装置充电，并防止电源装置反向为超级电容充电。本发明提供的技术方案适用于无人机弹射的过程中。

Description

一种无人机弹射器快速刹车及能量回收电路
【技术领域】
本发明涉及无人机弹射器技术领域，尤其涉及一种无人机弹射器快速刹车及能量回收电路。
【背景技术】
小型无人机具有高可靠性和安全性的特点，能够广泛应用于目标侦察、目标检测等领域。无人机弹射器能够保证小型无人机系统的快速发射和放飞。
无人机弹射器用于控制无刷直流电机的快速启动和停止。无刷直流电机是在有刷直流电机基础上发展起来的，它是利用电子开关电路代替有刷直流电机的机械换向器，因此无刷直流电机具有电噪声小、寿命长和可靠性高的特点。无刷直流电机通过检测转子的磁极位置，控制定子绕组换相，使电机电枢绕组中的电流随着转子位置的变化按一定次序换相，保证输出效率达到最优。
目前常用的无刷直流电机控制方式如图1所示，包括电源装置、无刷直流电机控制器、全桥驱动器和全桥电路，此方式能够控制无刷直流电机正常运转，但该方式无刷直流电机刹车时一般采用全桥电路上桥臂功率场效应管全开，下桥臂功率场效应管全关或者上桥臂功率场效应管全关，下桥臂功率场效应管全开的方式，此方法的缺点有：
1、高电压，强电流情况下容易导致无刷直流电机线圈烧毁；
2、大负载条件下，无刷直流电机刹车效率低，刹车距离长；
3、缺少刹车能量回收装置，造成能量损失，耗能高。
针对上述不足，有必要研究一种无人机弹射器快速刹车及能量回收电路来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。
【发明内容】
有鉴于此，本发明提供了一种无人机弹射器快速刹车及能量回收电路，能够实现电源装置正常供电和刹车能量回收的切换，还具有防反压功能，输出电流强、电路实现简单。
一方面，本发明提供一种无人机弹射器快速刹车及能量回收电路，其特征在于，所述电路包括：
电机驱动通路，用于驱动电机正常工作；
能量回收通路，用于进行能量的回收并为电源装置充电；
切换电路，分别与电机驱动通路和能量回收通路连接，用于实现电机供电模式和能量回收模式的切换；
控制器，用于控制切换电路进行模式切换以及控制电机驱动通路对电机进行驱动；
电源装置，用于供电以及接收回收的电能。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，能量回收通路包括：
超级电容，用于存储回收的电能；
反向抑制电路，用于连接超级电容和电源装置，实现超级电容为电源装置充电，并防止电源装置反向为超级电容充电。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述切换电路包括电源供电支路和能量回收支路；
所述电源供电支路分别与所述控制器以及电机驱动通路中的全桥电路供电端连接；
所述能量回收支路分别与所述控制器以及所述能量回收通路中的超级电容连接。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述电源供电支路包括第一MOSFET驱动器和第一通断芯片；所述第一MOSFET驱动器的控制信号输入端与所述控制器连接，控制信号输出端与所述第一通断芯片连接，所述第一MOSFET驱动器的TS端与所述全桥电路供电端连接；所述第一通断芯片也与所述全桥电路供电端连接。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述能量回收支路包括第二MOSFET驱动器和第二通断芯片；所述第二MOSFET驱动器的控制信号输入端与所述控制器连接，控制信号输出端与所述第二通断芯片连接，所述第二MOSFET驱动器的TS端与所述能量回收通路连接；
所述第二通断芯片与所述全桥电路供电端连接。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，通断芯片均为N沟道场效应管。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，MOSFET驱动器的TS端和BST端之间串接自举电容。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，反向抑制电路包括电荷泵芯片U1和第三通断芯片Q1；电荷泵芯片U1根据电源装置供电电压与超级电容电压的大小，控制第三通断芯片Q1的通断，实现超级电容为电源装置充电以及防止电源装置反向为超级电容充电。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，电荷泵芯片U1的输入端分别与超级电容以及第三通断芯片Q1连接，输出端分别与电源装置供电端以及第三通断芯片Q1连接，GATE端与第三通断芯片Q1连接。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述电荷泵芯片U1的输入端和输出端之间并联若干滤波电容。
另一方面，本发明提供一种无人机弹射器，其特征在于，所述弹射器采用如上任一所述的电路对无刷直流电机进行控制，实现刹车能量的回收。
与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：实现供电电源和刹车能量回收电路的切换；反向抑制电路能够实现超级电容为供电电源进行供电，同时能够防止供电电源反向为超级电容供电，保护供电电源。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是现有技术中无刷直流电机控制方式框图；
图2是本发明一个实施例提供的无人机弹射器快速刹车及能量回收电路原理框图；
图3是本发明一个实施例提供的电源切换电路原理图；其中，图3(a)为全桥驱动器及全桥电路供电的场效应管驱动控制电路，图3(b)为刹车能量回收场效应管驱动控制电路；
图4是本发明一个实施例提供的能量回收电路原理图；其中，图4(a)为全桥驱动器及全桥电路供电的场效应管电路，图4(b)刹车能量回收场效应管电路，能量存储使用的是超级电容；
图5是本发明一个实施例提供的反向抑制电路原理图。
【具体实施方式】
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
本发明的目的在于设计一种简单可靠，适用于高电压、强电流、大负载条件下，无刷直流电机快速刹车，而且能够防反压并且能够刹车能量回收的电路。该电路具有供电电源切换、防反压、能量回收利用、输出电流强、电路实现简单等特点，可广泛应用于需要无刷直流电机快速刹车及刹车能量回收等应用场合。
具体的，一种新型的无人机弹射器快速刹车及能量回收电路设计，包括电源切换电路、能量回收电路、反向抑制电路、超级电容以及全桥驱动器、全桥电路、控制器，具体组成框图如图2所示，电源装置分别与控制器以及电源切换电路连接；电源切换电路分别与全桥驱动器和全桥电路连接，为两者供电；控制器、全桥驱动器、全桥电路和无刷直流电机依次连接，实现对电机的正常控制；控制器还与电源切换电路连接，控制器控制电源切换电路进行工作模式的切换，电源切换电路的工作模式包括正常供电模块和能量回收模式；电源切换电路、能量回收电路、超级电容、反向抑制电路、电源装置依次连接，构成能量回收的通路，实现能量的回收。控制器控制电源切换电路进行电源装置供电和能量回收电路的切换工作，切换时机需能够保证全桥驱动器和全桥电路的正常工作。反向抑制电路能够保证超级电容中的能量为电源装置进行充电，同时能够防止电源装置反向为超级电容充电。全桥电路不仅能够驱动无刷直流电机启动运转，而且当刹车时能够按照六步法的控制顺序进行通端控制，通过控制PWM的脉冲宽度来控制刹车的快慢，具有更好的调节特性，由于全桥电路以及全桥驱动器可用现有技术的电路来实现，故而本申请不做赘述。
下面对各个部分的具体电路结构进行说明：
1、电源切换和能量回收电路，利用两个N沟道场效应管和两个MOSFET驱动器控制全桥电路的供电电源和能量回收电路的切换。
如图3-4所示。电源切换电路主要由第一MOSFET驱动器U1和第二MOSFET驱动器U2来实现，U1和U2均为MOSFET驱动器，两个VCC引脚接电源为芯片进行供电，两个INP引脚分别接供电电源控制信号和刹车能量回收控制信号。两个芯片的TGUP引脚和TGDN引脚合并作为能量回收电路的控制信号分别与能量回收电路中的供电电源MOSFET回路栅极和刹车能量回收MOSFET栅极连接，与栅极连接前均串接一个分压电阻(即电阻R10和电阻R18)。两个芯片的TS引脚分别接弹射器电机驱动端和能量回收超级电容端(同时分别与M4和M8的源极连接)。BST引脚和TS引脚之间连接自举电容。电阻R1和R2是控制端口下拉电阻，保证MOSFET快速关断，电容C3和C4是自举电容，能够保证MOSFET的开启。C1和C2是电源滤波电容。
通断芯片M4和M8是N沟道场效应管，通过电源切换电路控制二者的通断保证全桥电路的供电和能量回收电路的工作，VBAT连接电源装置的供电正极，VDRIVE连接全桥电路供电端，RES连接超级电容正极，HIO和LIO分别接电源切换电路的栅极切换控制端。
2、反向抑制电路，主要由一个N沟道MOSFET和一个电荷泵电路组成，如图5所示，能够保证当超级电容内部储存的能量电压高于电源电压时为电源装置进行充电，选取的MOSFET内阻绩效，只有0.2mΩ，能量损失很小，同时能够有效防止电源装置逆向为超级电容充电，保护电源装置。
主要由电荷泵芯片U1和第三通断芯片Q1组成，还包括C1、C2和C3滤波电容；Q1为N沟道MOSFET。当供电电源电压高于超级电容电压时，U1控制Q1保持关断状态，防止供电电源为超级电容供电，当供电电源电压低于超级电容电压时，U1控制Q1保持导通状态，此时超级电容会持续为供电电源供电，直至供电电源电压不小于超级电容电压，Q1进入关断状态。
综上所示，本发明能够实现无人机弹射器的快速刹车，通过PWM控制全桥电路实现刹车速度的控制；本发明通过设计电源切换电路，能够实现供电电源和刹车能量回收电路的切换；反向抑制电路能够实现超级电容为供电电源进行供电，同时能够防止供电电源反向为超级电容供电，保护供电电源。因此该电路具有供电电源切换、防反压、能量回收利用、输出电流强、电路实现简单等特点，可广泛应用于需要无刷直流电机快速刹车及刹车能量回收等应用场合。
以上对本申请实施例所提供的一种无人机弹射器快速刹车及能量回收电路，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (10)

1.一种无人机弹射器快速刹车及能量回收电路，其特征在于，所述电路包括：
电机驱动通路，用于驱动电机正常工作；
能量回收通路，用于进行能量的回收并为电源装置充电；
切换电路，分别与电机驱动通路和能量回收通路连接，用于实现供电模式和能量回收模式的切换；
控制器，用于控制切换电路进行模式切换以及控制电机驱动通路对电机进行驱动；
电源装置，用于供电以及接收回收的电能。
2.根据权利要求1所述的无人机弹射器快速刹车及能量回收电路，其特征在于，能量回收通路包括：
超级电容，用于存储回收的电能；
反向抑制电路，用于连接超级电容和电源装置，实现超级电容为电源装置充电，并防止电源装置反向为超级电容充电。
3.根据权利要求1所述的无人机弹射器快速刹车及能量回收电路，其特征在于，所述切换电路包括电源供电支路和能量回收支路；
所述电源供电支路分别与控制器以及电机驱动通路中的全桥电路供电端连接；
所述能量回收支路分别与控制器以及能量回收通路中的超级电容连接。
4.根据权利要求3所述的无人机弹射器快速刹车及能量回收电路，其特征在于，电源供电支路包括第一MOSFET驱动器和第一通断芯片；第一MOSFET驱动器的控制信号输入端与控制器连接，控制信号输出端与第一通断芯片连接，第一MOSFET驱动器的TS端与全桥电路供电端连接；第一通断芯片也与全桥电路供电端连接。
5.根据权利要求3所述的无人机弹射器快速刹车及能量回收电路，其特征在于，能量回收支路包括第二MOSFET驱动器和第二通断芯片；第二MOSFET驱动器的控制信号输入端与控制器连接，控制信号输出端与第二通断芯片连接，第二MOSFET驱动器的TS端与能量回收通路连接；
第二通断芯片与全桥电路供电端连接。
6.根据权利要求4或5所述的无人机弹射器快速刹车及能量回收电路，其特征在于，通断芯片均为N沟道场效应管。
7.根据权利要求4或5所述的无人机弹射器快速刹车及能量回收电路，其特征在于，MOSFET驱动器的TS端和BST端之间串接自举电容。
8.根据权利要求2所述的无人机弹射器快速刹车及能量回收电路，其特征在于，反向抑制电路包括电荷泵芯片U1和第三通断芯片Q1；电荷泵芯片U1根据电源装置供电电压与超级电容电压的大小，控制第三通断芯片Q1的通断，实现超级电容为电源装置充电以及防止电源装置反向为超级电容充电。
9.根据权利要求8所述的无人机弹射器快速刹车及能量回收电路，其特征在于，电荷泵芯片U1的输入端分别与超级电容以及第三通断芯片Q1连接，输出端分别与电源装置供电端以及第三通断芯片Q1连接，GATE端与第三通断芯片Q1连接。
10.一种无人机弹射器，其特征在于，所述弹射器采用如权利要求1-9任一所述的电路对无刷直流电机进行控制，实现刹车能量的回收。
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