適用于控制永磁無刷直流電機(jī)的嵌入式微控制器

一、 概述

無刷直流電機(jī)由電動機(jī)主體和驅(qū)動器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。電動機(jī)的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機(jī)十分相似。電動機(jī)的轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動機(jī)轉(zhuǎn)子的極性，在電動機(jī)內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，其功能是：接受電動機(jī)的啟動、停止、制動信號，以控制電動機(jī)的啟動、停止和制動；接受位置傳感器信號和正反轉(zhuǎn)信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩；接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速；提供保護(hù)和顯示等等。

永磁無刷直流電機(jī)（Permanent Magnet Brushless DC Motor以下簡稱PMBLDC）由于其固有的特點，在家用消費(fèi)類產(chǎn)品（空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)）和IT周邊產(chǎn)品（打印機(jī)、軟驅(qū)、硬驅(qū)）中得到廣泛的應(yīng)用。永磁無刷直流電機(jī)性能的發(fā)揮，除電機(jī)本身的設(shè)計以外，還要靠驅(qū)動技術(shù)和實現(xiàn)這一驅(qū)動技術(shù)的驅(qū)動板來保證。永磁無刷直流電機(jī)的驅(qū)動板又是連接上位控制MCU和電力電子變換器的橋梁：它接收上位機(jī)的命令，通過一定的控制方法，來達(dá)到預(yù)定的控制目標(biāo)；同時把當(dāng)前電機(jī)狀態(tài)及一些基本參數(shù)返回給上位控制的MCU。由上述對PMBLDC驅(qū)動板應(yīng)達(dá)到的功能可知，此類驅(qū)動板的核心器件應(yīng)是帶多路（6路以上）PWM輸出的嵌入式微控制器。由于目前國內(nèi)對INTEL MCS-51系列單片機(jī)的應(yīng)用有了廣泛基礎(chǔ)，我們選用了完全采用8031核，最高時鐘頻率可達(dá)40MHz的Infineon C504嵌入式微控制器。

二、 C504的硬件驅(qū)動模式

C504在8031核的基礎(chǔ)上，除了增加A/D轉(zhuǎn)換等外圍接口功能電路外，還增加了非常適合于電機(jī)控制的7路全數(shù)字PWM輸出單元CCU（Capture/Compare Unit，捕捉比較單元）。CCU的功能框圖如圖1所示。當(dāng)C504工作在硬件驅(qū)動模式時，cout3可以調(diào)制cc0,cout0,cc1,cout1,cc2,cout2上面，而且其輸出的時序由INT0，INT1，INT2編碼控制。

在圖1中，左邊的fosc/2是整個單元工作的時間基準(zhǔn)；

CTRAP端可控制cc0-cout2輸出端狀態(tài)，處于CTRAP狀態(tài)時cc0～cout2的狀態(tài)可軟件定義；

cc0-cout2端為3相6路16位PWM輸出；

ccx和coutx（x=1,1,2）為互補(bǔ)信號，并且可以通過設(shè)置Offset RegiSTer的數(shù)值來控制其死區(qū)時間；

cout3是單路10 bit PWM輸出端，而INT0～I(xiàn)NT2是外部控制，通過INT0～I(xiàn)NT2的編碼來控制cc0～cout2的輸出次序。

圖2是C504使用在一臺外轉(zhuǎn)子的永磁無刷直流電機(jī)作為電動自行車的驅(qū)動電機(jī)時，工作在硬件模式下的電流波形。

這臺樣機(jī)現(xiàn)在已由杭州光陽機(jī)電技術(shù)有限公司投入生產(chǎn)。當(dāng)用作電動車驅(qū)動的永磁無刷直流電機(jī)采用嵌入式微控制器控制時，可以實現(xiàn)平穩(wěn)啟動等一系列普通模擬控制器所無法實現(xiàn)的功能。

三、 C504的軟件驅(qū)動模式

C504除了提供硬件驅(qū)動模式外，另外還提供了可以任意組合PWM輸出的軟件驅(qū)動動模式，如圖3所示。

所講任意組合有兩層含義：

1）制的電機(jī)的相數(shù)可以選擇，并可用不同的ccx和coutx（x=0，1，2）端；

四、 結(jié)語

InfinEON的嵌入式微控制器C504的CCU單元提高了非常適合于PMBLDC電機(jī)控制的功能，通過選擇硬件和軟件模式，可方便地達(dá)到所需要的控制目的；且C504價格低廉，抗干擾性強(qiáng)，適合作為一個控制芯片，嵌入到類似驅(qū)動板這樣的功率變換器與計算機(jī)之間的中間部件。目前，我們采用C504作為多軸控制系統(tǒng)的底層嵌入式控制芯片，準(zhǔn)備在數(shù)控機(jī)械，印刷等行業(yè)上應(yīng)用。

2）控制的方法可以是一般的PWM，也可以是SPWM控制，這一點可以應(yīng)用到PMBLDC的準(zhǔn)正弦電流控制中。

圖4是控制一臺DCDD（DC Direct Drive）洗衣機(jī)的電流波形。從圖中可以看出其電流波形已非常接近正弦，取得了良好的控制效果。