掌握MCU軟件設計準則 實現直流馬達控制精準度提升
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運作在300瓦(W)以下的小功率馬達被廣泛應用于各類應用，例如汽車系統(tǒng)、打印機、復印機、碎紙機、玩具、工廠自動化、測試設備、機器人技術、航空航天與軍工等。最流行的小功率馬達類型是直流(DC)馬達、無刷直流馬達(BLDC)和步進馬達。馬達的產量大致與功率大小成反比，量產的小功率馬達數量遠遠高于大功率馬達數量。
專用于馬達控制的數字信號處理器(DSP)設計主要在滿足大型脫機式馬達的需求。脫機馬達通常為交流(AC)感應或無刷直流馬達，運行在110-480VAC和1/4-100馬力(HP)。專用于馬達控制的DSP，對于小功率馬達控制系統(tǒng)來說，成本太高。
本文提供使用微控制器(MCU)控制各類馬達的軟件范例。雖然這些范例相對簡單，但其針對各類馬達提供有效的解決方案。一個傳統(tǒng)的馬達控制系統(tǒng)通常要求額外特性并具有更高的復雜度。這些軟件范例能夠做為開發(fā)更復雜馬達驅動系統(tǒng)的基礎。
借助軟件演算 DC有刷馬達功耗下降
DC馬達在小功率馬達中是最常見和最便宜的。在本文中，DC馬達主要指的是有刷換向永磁直流馬達。
DC馬達的特性使其成為變速系統(tǒng)中最簡單易使用的馬達。DC馬達的轉矩-速度特性如圖1所示，DC馬達的非負載速度與馬達電源電壓成線性關系。驅動穩(wěn)定扭矩負載、線性負載或指數負載的DC馬達的電壓-速度特性也是連續(xù)的、正斜率的和可預測的，因此，在大多數情況下，使用開放回路控制系統(tǒng)是可行的。簡單地改變通過馬達的電壓，任何人都能夠控制馬達的速度。脈寬調變(PWM)能夠用于改變馬達供電電壓，加載到馬達的平均電壓與PWM工作周期比成正比例關系(這里忽略馬達電感和不連續(xù)運行導致的次要影響)。
圖1 DC馬達特性
這里提供一個以MCU控制DC馬達的簡單例子。在這個范例中，使用模擬數字轉換器(ADC)讀取電位器的位置信息，并使用PCA 8位PWM模式輸出對應的PWM信號(圖2)。
圖2 DC馬達驅動電路
單個N通道功率金屬氧化物半導體場效晶體管(MOSFET)Q1用于驅動DC馬達。功率MOSFET應當根據特定的馬達電壓和電流需求進行選擇。飛輪二極管的D1跨接到DC馬達。當MOSFET關閉時，電流通過馬達自感繼續(xù)流動，MOSFET漏極電壓將上升到超過馬達電源電壓的一個二極管壓降，然后，電流經由飛輪二極管繼續(xù)流動。
大多數低壓馬達驅動電路利用蕭特基功率整流器實現飛輪二極管，蕭特基整流器具有較低的正向電壓和極短的反向恢復時間。這兩者在馬達驅動應用中都是非常重要的參數因子。
功率MOSFET由反向閘極驅動器驅動。F300的端口引腳默認配置為輸入引腳，并且啟用弱的100k上拉電阻。在端口被配置而且交叉開關器和周邊啟用之前，端口引腳一直保持高電平。當復位接腳保持低電平時，端口接腳也會被配置為弱上拉啟用的輸入接腳。透過使用反向驅動器，功率晶體管在預設狀態(tài)下處于關閉狀態(tài)。如果使用非反相器驅動，10k下拉電阻應當端口引腳和接地。
為使用3伏特(V)微控制器，閘極驅動器應當具有3V相容的輸入電平臨界值。如果馬達電壓在5-15V之間，閘極驅動器能夠直接切斷馬達電源電壓。如果馬達電壓超過15V，分開的閘極驅動器電源電壓是需要的，通常為5V或者12V。當采用低于10V的閘極驅動器電源電壓時，應當使用邏輯電平功率MOSFET。
軟件實現非常簡單。main()函數初始化頻率、端口和周邊，然后進入while(1)回路。在while(1)中使用avgADC()函數讀取電位器電壓值，然后輸出這個值到8位PWM。
PORT_Init()函數配置端口輸入/輸出(I/O)、周邊、?用數位交叉開關器。在這里，為8位PWM?用端口引腳，為閘極驅動器?用推挽式輸出引腳。
系統(tǒng)頻率SYSCLK被配置運行在24.5MHz最大速率，這允許8位PWM可配置為160奈秒(ns)頻率周期和24kHz頻率。
ADC0_Init()函數配置ADC為查詢模式。ADC增益設定為1，并且為ADC頻率選擇1MHz保守頻率。重要的是，這里也要初始化電壓參考，配置ADC使用VDD滿量程。
函數readADC()采用查詢模式讀取電壓值一次，并返回ADC值。函數avgADC()調用readADC()函數，并且返回六十四個采樣值的平均值。平均化ADC讀數可以最小化噪聲影響，減少PWM輸出抖動。
當使用PCA 8位PWM模式時，在CEX0輸出0x00值對應到100%的工作周期比；輸出0xFF值對應到0.39%的工作周期比，0%的工作周期比可以透過清除PCA0CPM0 SFR中的ECOM0位來實現。
當使用反向驅動器時，這種關系是相反的。在MOSFET閘極驅動器上，0x00值對應到0%的工作周期比，0xFF值對應到99.6%的工作周期比為了簡單起見，本文中所有使用8位PWM的軟件范例都僅限于使用99.6%PWM。
在一些情況下，100%的工作周期比是可取的，100%工作周期比將有效的消除開關損耗。由于MOSFET從不會關閉，因此在MOSFET上沒有開關損耗，在二極管上也沒有損失，唯一的功率損耗是功率MOSFET中的傳導損耗。如果馬達預計在大部分時間里都處于全速運作，100%的最大工作周期比是合理的。100%的工作周期比，可以經由清除PCA0CPM0 SFR中的ECOM0位來實現。
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