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(dú)的信號線在功率回路和控制回路之間進(jìn)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(jìn)行強(qiáng)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(shí)，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(shí)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?yàn)楦蓴_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(diǎn)在大功率的系統(tǒng)中，會因?yàn)樵O(shè)計(jì)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(shí)間，影響控制回路MCU的算法處理時(shí)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(diǎn)進(jìn)行直接快速的控制，所述控制節(jié)點(diǎn)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(shí)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(xiàng)或多項(xiàng):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(shí)斷開直流母線的連接，保護(hù)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(hù)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(shí)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(jìn)行數(shù)據(jù)交換，替代每個狀態(tài)數(shù)據(jù)使用單獨(dú)的信號線的技術(shù)方案，可以解決因?yàn)闋顟B(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(dú)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(jìn)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(shí)施方式
為了便于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解和實(shí)施本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)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(jìn)行交換，替代狀態(tài)數(shù)據(jù)使用單獨(dú)的信號線，可以解決因?yàn)闋顟B(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(dú)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(jìn)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(jìn)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(shí)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(shí)時(shí)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(yàn)機(jī)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(dú)信號連接線的情況下，在保證豐富信息量的同時(shí)，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(shí)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(yàn)和數(shù)據(jù)幀的校驗(yàn)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(shí)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(jìn)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(diǎn)進(jìn)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(shí)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(hù)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(shí)斷開直流母線的連接，保護(hù)系統(tǒng)的安全。同時(shí)依據(jù)內(nèi)部的控制算法，在直流母線電壓偏高時(shí)，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(shí)，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(jìn)行處理。在直流母線電壓偏低時(shí)，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(shí)的轉(zhuǎn)矩輸出時(shí)，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(jìn)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(shí)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(hù)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(shí)時(shí)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(hù)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(shí)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(shí)，進(jìn)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(shí)時(shí)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)。控制回路可以通過通信接口采集實(shí)時(shí)的溫度數(shù)據(jù)，并在溫度異常時(shí)對功率回路采取保護(hù)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(shí)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(shí)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(diǎn)進(jìn)行直接快速的控制，所述控制節(jié)點(diǎn)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(shí)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(xiàng)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(xiàng)或多項(xiàng): 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(shí)斷開直流母線的連接，保護(hù)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(hù)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(jìn)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(jìn)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(xiàng)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(jìn)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(xiàng)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(shí)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可以解決因?yàn)闋顟B(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(jìn)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(jī)電有限公司