專利名稱：一種基于微控制器的智能功率板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種功率控制裝置，尤其涉及一種基于微控制器的智能功率回路和功率板
背景技術(shù)：
在目前的伺服驅(qū)動器、變頻器等逆變應(yīng)用系統(tǒng)中，大多采用功率回路和控制回路分離的結(jié)構(gòu)?？刂苹芈沸枰杉β驶芈分械南嚓P(guān)狀態(tài)信息，并作出相應(yīng)的控制，在目前大部分的應(yīng)用系統(tǒng)中，狀態(tài)信息和控制信息分別通過單獨的信號線在功率回路和控制回路之間進行傳輸，隨著系統(tǒng)智能化水平的提高，需要的狀態(tài)信息和控制信息會越來越多，功率回路和控制回路之間連接的信號線數(shù)目就會隨之增多。而連接功率回路和控制回路之間的信號線需要進行強電和弱電隔離，在信號線數(shù)增多的情況下，使用的隔離器件個數(shù)也按比例的增加，在增加印制板面積的同時，系統(tǒng)成本也隨之大幅度地增加，不利于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的規(guī)劃和PCB板上的布局布線。同時隨著系統(tǒng)布線的復(fù)雜程度增加，信號線路徑的變長，模擬信號在傳輸過程中受干擾的可能性變大，影響數(shù)據(jù)精度，不利于系統(tǒng)的反饋控制，在模擬通路上引入信號調(diào)理電路可以有效的擬制干擾，但是會帶來成本上的大幅提高；數(shù)字信號也會因為干擾出現(xiàn)誤動作，引起系統(tǒng)出錯，嚴(yán)重的會造成系統(tǒng)故障。這點在大功率的系統(tǒng)中，會因為設(shè)計需要使結(jié)構(gòu)分散，使得上述現(xiàn)象變的更加明顯。在目前的應(yīng)用系統(tǒng)中還缺少有效的溫度控制，或者僅僅采用了簡單的溫度控制方式，會使得效率過低，或者使得局部溫度波動過大，無法使功率回路局部溫度穩(wěn)定在一個合理的狀態(tài)。而額外的功率板狀態(tài)智能控制需要占用控制回路MCU的處理時間，影響控制回路MCU的算法處理時間。以上問題可以通過在功率回路中內(nèi)置一顆MCU來解決。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于微控制器的智能功率板，該智能功率板包括功率回路，其特征在于:所述智能功率板進一步包括微控制器，所述微控制器與所述功率回路相連，所述微控制器包括ADC模塊、IO模塊和通信接口模塊；所述ADC模塊接收功率回路中的電壓采樣值；所述IO模塊連接繼電器模塊和溫度控制模塊，所述通信接口模塊通過通信總線與控制回路進行連接，所述通信總線上設(shè)置有隔離器件，并且所述通信總線采用的信號連接線的數(shù)量為2至6根。在上述技術(shù)方案中，所述ADC模塊還與功率回路中的PTC模塊和NTC模塊相連接。在上述技術(shù)方案中，所述通信總線采用2 6線制的通信方式，優(yōu)選采用SC1、SP1、I2C通信方式之一。
在上述技術(shù)方案中，所述通信總線采用串行通信協(xié)議，優(yōu)選采用Modbus通信協(xié)議。在上述技術(shù)方案中，所述微控制器與控制回路依據(jù)主從關(guān)系進行通信，所述微控制器作為從設(shè)備，被動接收下行數(shù)據(jù)幀，并按解析后的內(nèi)容進行相應(yīng)的操作。在上述技術(shù)方案中，所述微控制器循環(huán)通過通信接口接收控制回路的下行數(shù)據(jù)，參考微控制器收集的功率回路的狀態(tài)量，對功率回路中控制節(jié)點進行直接快速的控制，所述控制節(jié)點包括繼電器和剎車開關(guān)。在上述技術(shù)方案中，所述微控制器可以在不需要控制回路的干預(yù)下實現(xiàn)對功率回路的智能控制，所述智能控制包括:功率回路硬件資源的自檢、三相電的缺相檢測、功率回路主要供電電源的電壓檢測及電壓跌落的預(yù)測、輸出轉(zhuǎn)矩不足的預(yù)測。在上述技術(shù)方案中，在功率回路中，微控制器執(zhí)行下述任務(wù)中的一項或多項:依據(jù)下行數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容，參考內(nèi)部直流母線電壓的采樣結(jié)果，控制直流母線通路上繼電器的通斷，在系統(tǒng)出錯或者故障時斷開直流母線的連接，保護系統(tǒng)的安全；在出現(xiàn)嚴(yán)重問題需要緊急剎車的情況下，直接關(guān)斷逆變橋調(diào)制信號，以保護逆變橋模塊及其他重要部件；讀取缺相檢測模塊的檢測信號量，依此判斷是否有缺相發(fā)生，并依據(jù)結(jié)果和設(shè)定條件進行相應(yīng)的處理；發(fā)送相應(yīng)的控制信號，并將反饋信號讀回，對功率回路的硬件資源進行相應(yīng)的檢測，所述檢測內(nèi)容包括:各信號通路的隔離器件是否正常，繼電器開關(guān)動作是否正常，輔助的散熱設(shè)施是否正常，剎車部分功能是否正常，剎車電阻是否安裝及通過母線電壓下降速度判斷其參數(shù)是否合理，各主要供電電源的電壓值是否正常。在上述技術(shù)方案中，NTC電壓、PTC電壓、逆變橋驅(qū)動供電電壓、電流傳感器供電電壓和直流母線電壓等模擬信號經(jīng)過硬件濾波等處理后連接到微控制器的AD采樣輸入端，通過微控制器就近將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信號，并將采樣后的數(shù)字信號進行濾波等預(yù)處理，將處理之后的結(jié)果保存在MCU內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。在上述技術(shù)方案中，所述微控制器將內(nèi)部數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)封裝成上行數(shù)據(jù)幀，在控制回路請求時發(fā)送上行數(shù)據(jù)幀。本發(fā)明取得了以下技術(shù)效果:通過微控制器組織功率回路的相關(guān)數(shù)據(jù)，使用通信接口與控制回路進行數(shù)據(jù)交換，替代每個狀態(tài)數(shù)據(jù)使用單獨的信號線的技術(shù)方案，可以解決因為狀態(tài)信號線數(shù)目多而引起的兩個回路連接和結(jié)構(gòu)布局的問題，相對于單獨信號線的連接方式，可以提供豐富的、準(zhǔn)確的信息數(shù)據(jù)，并可以通過MCU進行一些簡單的輔助控制功能。


圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)框圖；圖2為MCU內(nèi)部功能流程圖；圖3為本發(fā)明的功率回路中MCU的功能模塊示意圖。
具體實施方式
為了便于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解和實施本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及具體實施方式
對本發(fā)明作進一步的詳細(xì)描述。本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，通過在現(xiàn)有功率回路中增加MCU來組織功率回路的相關(guān)數(shù)據(jù)，使用通信接口與控制回路進行交換，替代狀態(tài)數(shù)據(jù)使用單獨的信號線，可以解決因為狀態(tài)信號線數(shù)目多而引起的兩個回路連接和結(jié)構(gòu)布局的問題，相對于單獨信號線的連接方式，可以提供豐富的、準(zhǔn)確的信息數(shù)據(jù)，并可以通過MCU進行一些簡單的輔助控制功能。MCU和控制回路可以通過通信總線進行連接，利用SCI (Serial CommunicationInterface)、SPI (Serial Peripheral Interface) > I2C(Inter-1ntegrated Circuit)等串行通信方式，使用Modbus或者自定義的通信協(xié)議，定時或者依照主從關(guān)系發(fā)送上行數(shù)據(jù)幀和接受下行數(shù)據(jù)幀，保證數(shù)據(jù)高速有效的傳輸。為保證實時的反饋控制，通信的速率可以按需要設(shè)定在幾bit/s到幾Mbit/s之間。通過通信協(xié)議自有的或者額外增加的差錯校驗機制，可以保證通信數(shù)據(jù)的正確性和完整性，將外界的干擾影響大幅度降低。在使用上述通信方式的情況下，通信接口需要的信號連接線數(shù)可減少為2到6根。相對于目前一個狀態(tài)量使用一根單獨信號連接線的情況下，在保證豐富信息量的同時，可以將信號連接線數(shù)減小到最少的限度。在保證系統(tǒng)性能的前提下，可以降低系統(tǒng)成本，有利于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的規(guī)劃和PCB板的布線布局。在可選擇的一個實施例中，在功率回路和控制回路之間可以選用SCI的通信方式，在全雙工的情況下，僅需要通過隔離器件隔離的TX、RX兩根信號線；選用9600波特率的傳輸速率，即可以保證了數(shù)據(jù)幀的快速傳輸；選用有效地單字節(jié)校驗和數(shù)據(jù)幀的校驗方式，則可以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。并且根據(jù)實際應(yīng)用場合的需要，還使用白定義的通信協(xié)議，依據(jù)主從關(guān)系發(fā)送上行數(shù)據(jù)幀和接受下行數(shù)據(jù)幀，功率回路中的MCU作為從設(shè)備，被動接收下行數(shù)據(jù)幀，并按解析后的內(nèi)容進行相應(yīng)的操作，具體流程如圖2所示。MCU循環(huán)接收下行數(shù)據(jù)幀，依據(jù)下行數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容，參考MCU收集的功率回路的狀態(tài)量，對功率回路中一些控制節(jié)點進行直接快速的控制，主要包括繼電器，剎車開關(guān)等。通過MCU可以實現(xiàn)功率回路的一些智能控制，而不需要控制回路的干預(yù)，在出現(xiàn)嚴(yán)重問題需要緊急剎車的情況下，可以直接關(guān)斷逆變橋調(diào)制信號，以保護逆變橋模塊及裝置中的重要部件，將損失降低到最小程度。主要的智能控制包括:功率回路硬件資源的自檢，三相電的缺相檢測，功率回路主要供電電源的電壓檢測及電壓跌落的預(yù)測，輸出轉(zhuǎn)矩不足的預(yù)測。操作后各IO 口的狀態(tài)數(shù)據(jù)保存在MCU內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。依據(jù)下行數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容，參考內(nèi)部直流母線電壓的采樣結(jié)果，控制直流母線通路上繼電器的通斷，在系統(tǒng)出錯或者故障時斷開直流母線的連接，保護系統(tǒng)的安全。同時依據(jù)內(nèi)部的控制算法，在直流母線電壓偏高時，靈活地控制剎車開關(guān)，保證直流母線電壓值穩(wěn)定在一個合理的狀態(tài)，檢測直流母線電壓的變化趨勢，判斷是否會超出正常值范圍，當(dāng)預(yù)測到母線電壓按規(guī)律持續(xù)升高，即將超出正常范圍時，給出母線電壓超高的狀態(tài)，將此結(jié)果保存并通過通信接口提前反饋給控制回路進行處理。在直流母線電壓偏低時，并檢測直流母線電壓的變化趨勢，判斷是否會影響到正常的轉(zhuǎn)矩輸出，當(dāng)預(yù)測到直流母線電壓持續(xù)按規(guī)律下降并會影響此時的轉(zhuǎn)矩輸出時，給出母線電壓超低的狀態(tài)，將此結(jié)果保存并通過通信接口提前反饋給控制回路進行相應(yīng)的處理。在功率回路主要供電電源跌落的情況下，MCU利用外部的參考源，可以在電壓跌落的過程中檢測各供電電源的電壓，依據(jù)MCU內(nèi)部的控制算法，參考各主要供電電源的電壓值，可以檢測出各電壓值的變化趨勢，判斷是否會影響到逆變橋驅(qū)動信號的上升和下降時間，將結(jié)果保存并通過通信接口提前反饋給控制回路，在出現(xiàn)電壓跌落的情況下，控制回路可以依據(jù)此狀態(tài)量作出緊急處理以保護功率器件。依據(jù)下行數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容，參考NTC(負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻)電壓和PTC(正溫度系數(shù)熱敏電阻)電壓的采樣結(jié)果，擬定功率回路部分溫度變化曲線，并依據(jù)內(nèi)部設(shè)定的溫度閾值，實時的開啟和關(guān)閉輔助的散熱設(shè)備來使局部溫度保持在穩(wěn)定的狀態(tài)，保證功率器件良性的工作環(huán)境。并在溫度出現(xiàn)異常的情況下告知控制回路采取有效的保護措施。操作完成之后，MCU按指令內(nèi)容和自定義的協(xié)議要求將MCU內(nèi)部數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)封裝成上行數(shù)據(jù)幀，在控制回路請求時發(fā)送上行數(shù)據(jù)幀。在功率回路中的MCU功能模塊示意圖如圖3所示，將NTC電壓、PTC電壓、逆變橋驅(qū)動供電電壓、電流傳感器供電電壓和直流母線電壓等模擬信號經(jīng)過硬件濾波等處理后連接到MCU的AD采樣輸入端，通過MCU就近將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將采樣后的數(shù)字信號進行濾波等預(yù)處理，處理之后的結(jié)果需要保存在MCU內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。這樣可以節(jié)省調(diào)理電路的成本，提高模擬信號的精度，處理之后的數(shù)據(jù)可以供控制回路直接使用，可以減小控制回路MCU的開銷。在功率回路中，通過MCU讀取缺相檢測模塊的檢測信號量，依此判斷是否有缺相發(fā)生，并依據(jù)結(jié)果和設(shè)定條件進行相應(yīng)的處理。在功率回路中，通過MCU發(fā)送相應(yīng)的控制信號，并將反饋信號讀回，可以對功率回路的硬件資源進行相應(yīng)的檢測。檢測內(nèi)容如下:各信號通路的隔離器件是否正常，繼電器開關(guān)動作是否正常，輔助的散熱設(shè)施是否正常，剎車部分功能是否正常，剎車電阻是否安裝及通過母線電壓下降速度判斷其參數(shù)是否合理，各主要供電電源的電壓值是否正常。為了將模擬量信號引入到控制回路中，通過MCU中的AD模塊將模擬信號就近轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，可以減少模擬信號路徑上的干擾，提高模擬信號所表達(dá)數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性。同時，進行數(shù)據(jù)的濾波等預(yù)處理，控制回路可以直接使用預(yù)處理后的數(shù)據(jù)，減少控制回路的負(fù)擔(dān)。逆變系統(tǒng)中的熱量來源主要是功率回路，MCU可以實時的監(jiān)控功率回路部分溫度，擬定功率回路溫度變化曲線，通過開啟和關(guān)閉輔助散熱設(shè)備來使溫度保持穩(wěn)定狀態(tài)?？刂苹芈房梢酝ㄟ^通信接口采集實時的溫度數(shù)據(jù)，并在溫度異常時對功率回路采取保護措施。MCU可以通過通信接口接收控制回路的下行數(shù)據(jù)，參考內(nèi)部直流母線電壓的采樣結(jié)果，控制繼電器的通斷，同時依據(jù)內(nèi)部的控制算法，靈活地控制剎車狀態(tài)，保證直流母線電壓值穩(wěn)定在一個合理的狀態(tài)。上述僅為說明本發(fā)明原理的優(yōu)選實施例，凡依本發(fā)明范圍所做的均等變化和修飾，皆為本發(fā)明專利范圍所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種基于微控制器的智能功率板，該智能功率板包括功率回路，其特征在于:所述智能功率板進一步包括微控制器，所述微控制器與所述功率回路相連，所述微控制器包括ADC模塊、IO模塊和通信接口模塊；所述ADC模塊接收功率回路中的電壓采樣值；所述IO模塊連接繼電器模塊和溫度控制模塊，所述通信接口模塊通過通信總線與控制回路進行連接，所述通信總線上設(shè)置有隔離器件，并且所述通信總線采用的信號連接線的數(shù)量為2至6根。
2.根據(jù)權(quán)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模塊還與功率回路中的PTC模塊和NTC模塊相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微控制器的智能功率板，其特征在于:所述通信總線采用2 6線制的通信方式，優(yōu)選采用SC1、SP1、I2C通信方式之一。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所 述的基于微控制器的智能功率板，其特征在于:所述通信總線采用串行通信協(xié)議，優(yōu)選采用Modbus通信協(xié)議。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于微控制器的智能功率板，其特征在于:所述微控制器與控制回路依據(jù)主從關(guān)系進行通信，所述微控制器作為從設(shè)備，被動接收下行數(shù)據(jù)幀，并按解析后的內(nèi)容進行相應(yīng)的操作。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于微控制器的智能功率板，其特征在于:所述微控制器循環(huán)通過通信接口接收控制回路的下行數(shù)據(jù)，參考微控制器收集的功率回路的狀態(tài)量，對功率回路中控制節(jié)點進行直接快速的控制，所述控制節(jié)點包括繼電器和剎車開關(guān)。
7.根據(jù)權(quán)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預(yù)下實現(xiàn)對功率回路的智能控制，所述智能控制包括:功率回路硬件資源的自檢、三相電的缺相檢測、功率回路主要供電電源的電壓檢測及電壓跌落的預(yù)測、輸出轉(zhuǎn)矩不足的預(yù)測。
8.根據(jù)權(quán)利要求5-7中任意一項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，微控制器執(zhí)行下述任務(wù)中的一項或多項: 依據(jù)下行數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容，參考內(nèi)部直流母線電壓的采樣結(jié)果，控制直流母線通路上繼電器的通斷，在系統(tǒng)出錯或者故障時斷開直流母線的連接，保護系統(tǒng)的安全； 在出現(xiàn)嚴(yán)重問題需要緊急剎車的情況下，直接關(guān)斷逆變橋調(diào)制信號，以保護逆變橋模塊及其他重要部件； 讀取缺相檢測模塊的檢測信號量，依此判斷是否有缺相發(fā)生，并依據(jù)結(jié)果和設(shè)定條件進行相應(yīng)的處理； 發(fā)送相應(yīng)的控制信號，并將反饋信號讀回，對功率回路的硬件資源進行相應(yīng)的檢測，所述檢測內(nèi)容包括:各信號通路的隔離器件是否正常，繼電器開關(guān)動作是否正常，輔助的散熱設(shè)施是否正常，剎車部分功能是否正常，剎車電阻是否安裝及通過母線電壓下降速度判斷其參數(shù)是否合理，各主要供電電源的電壓值是否正常。
9.根據(jù)權(quán)利要求5-8中任意一項所述的基于微控制器的智能功率板,其特征在于:NTC電壓、PTC電壓、逆變橋驅(qū)動供電電壓、電流傳感器供電電壓和直流母線電壓等模擬信號經(jīng)過硬件濾波等處理后連接到微控制器的AD采樣輸入端，通過微控制器就近將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信號，并將采樣后的數(shù)字信號進行濾波等預(yù)處理，將處理之后的結(jié)果保存在MCU內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。
10.根據(jù)權(quán)利要求5-9中任意一項所述的基于微控制器的智能功率板，其特征在于:所述微控制器將內(nèi)部數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)封裝成上行數(shù)據(jù)幀，在控制回路請求時發(fā)送上行數(shù)據(jù) 幀。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于微控制器的智能功率板，該智能功率板包括功率回路，所述智能功率板進一步包括微控制器，所述微控制器與所述功率回路相連，所述微控制器包括ADC模塊、IO模塊和通信接口模塊；所述ADC模塊接收功率回路中的電壓采樣值；所述IO模塊連接繼電器模塊和溫度控制模塊，所述通信接口模塊通過通信總線與控制回路進行連接，所述通信總線上設(shè)置有隔離器件，并且所述通信總線采用的信號連接線的數(shù)量為2至6根。通過微控制器組織功率回路的相關(guān)數(shù)據(jù)，使用通信接口與控制回路進行數(shù)據(jù)交換，可以解決因為狀態(tài)信號線數(shù)目多而引起的兩個回路連接和結(jié)構(gòu)布局的問題，提供豐富的、準(zhǔn)確的信息數(shù)據(jù)，并可以通過MCU進行一些簡單的輔助控制功能。
文檔編號G05F1/66GK103218005SQ201210319679
公開日2013年7月24日 申請日期2012年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月21日
發(fā)明者吳瀟瀟, 李旭陽, 余金成 申請人:湖北立銳機電有限公司