基于硬件的無(wú)刷直流電機

　　很顯然，今天的無(wú)刷直流(BLDC)電機取代了從空調到遙控車(chē)的任何其它電機，帶來(lái)了高效和可靠性的優(yōu)勢。無(wú)刷直流電動(dòng)機的成本在過(guò)去10年來(lái)大大下降，從而使用率急劇攀升?？刂茙鞲衅鞯?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/無(wú)刷直流電機">無(wú)刷直流電機有些簡(jiǎn)單，大部分微控制器能夠實(shí)現。不過(guò)，在需要高RPM的應用中，例如紡織機、遙控汽車(chē)、工業(yè)控制，CPU會(huì )被持續的高優(yōu)先級中斷占用，隨電機速度的升高而頻率增加。只要微控制器的唯一功能是控制電機，就會(huì )很容易。但是，如果必須執行其它時(shí)序/CPU密集型功能，這可能會(huì )產(chǎn)生問(wèn)題。本文將介紹一種僅由硬件實(shí)現的電機換相方法，使CPU不再承擔維持電動(dòng)機速度的負擔，使其不再執行其它功能，例如射頻通信，數據加密或三維位置計算等功能。此方法還可以輕松地以不同的速度驅動(dòng)多個(gè)電機，從而可以為需要多個(gè)電機、使用多個(gè)專(zhuān)用微控制器的應用降低BOM。

　　顯然，今天的無(wú)刷直流電機已成為在效率、可靠性和性能至關(guān)重要的應用時(shí)最廣泛使用的發(fā)動(dòng)機之一。符合能源之星標準，推動(dòng)了洗衣機、干衣機、空調、冰箱等白色家電的發(fā)展，其使用無(wú)刷直流電機提高了工作效率。工業(yè)自動(dòng)化設備、電動(dòng)自行車(chē)、水泵、無(wú)線(xiàn)電遙控車(chē)和其它許多產(chǎn)品也已經(jīng)開(kāi)始使用無(wú)刷直流電機。

　　當進(jìn)行電機控制設計時(shí)，工程師可以選擇固定功能的電機控制IC或微控制器(MCU)。在許多設計中，工程師選擇了微控制器，因為它們設計靈活，并且將其它各種功能包括用戶(hù)接口(按鈕、開(kāi)關(guān)和顯示器)通信(UART以及SPI)功能都集成到芯片里。由于大量的高優(yōu)先級中斷需要用來(lái)控制電機，所執行的外圍功能被限制到減緩、非CPU密集型功能。如果終端設備需要數據加密、矢量分析或其它類(lèi)型的CPU密集型功能，工程師可能需要使用更快的(更昂貴的)的微控制器，或將設計切分為電機控制部分的專(zhuān)用微控制器和設備中所需的其它功能應用的微控制器。因此這個(gè)解決方案對工程時(shí)間、電路板空間和整體BOM方面的要求較高。本文將介紹一種只需硬件實(shí)施的電機控制方法，使CPU不再承擔定期中斷的負擔，從而能夠執行其它功能，并允許將所有設計集成到單一微控制器中。

　　要理解為什么BLDC電機控制如此強調中斷，就需考慮微控制器如何控制它。在BLDC電機中，如圖1所示，換相(電機的旋轉)為電動(dòng)控制。電機要求定子繞組按照特定的序列加電。為了實(shí)現該序列，知道轉子位置很重要。通過(guò)使用傳感器來(lái)實(shí)現，如霍爾效應傳感器(傳感器控制)，或通過(guò)感應反電勢(無(wú)傳感器控制)?；魻栃獋鞲衅髑度朐诙ㄗ又?。當轉子磁極在霍爾傳感器附近通過(guò)時(shí)，提供一個(gè)高或低信號，表明南極或北極正從附近通過(guò)。轉子的位置通過(guò)三個(gè)霍爾傳感器信號的準確組合來(lái)導出。

　　無(wú)刷直流電機配置一個(gè)由南北極組成的永久磁鐵轉子。對定子繞組通電，以產(chǎn)生期望位置的磁極。

　　轉子北極吸引繞組南極和/或排斥北極。

　　在北極/南極對正前，下一個(gè)繞組通電，使電機保持轉動(dòng)(參見(jiàn)圖2)。

　　微控制器通過(guò)啟用和禁用按照要求的序列提供通過(guò)繞組的電流的外部電源設備使無(wú)刷直流電機保持旋轉。有效換相要求按照電動(dòng)機的旋轉需要的序列提供繞組電流通電定時(shí)。對于配置傳感器的無(wú)刷直流電機控制，每次霍爾傳感器的狀態(tài)變化時(shí)就會(huì )產(chǎn)生中斷，這表明電機已進(jìn)入下一個(gè)換相狀態(tài)。此時(shí)，CPU必須根據它剛剛進(jìn)入的狀態(tài)，確定啟用和禁用的PWM輸出。電機旋轉得越快，CPU中斷發(fā)生得越頻繁。換相狀態(tài)中斷必須處于高優(yōu)先級，并迅速執行，以確保平穩的旋轉，并保持對電機速度的控制。

　　傳統的步進(jìn)換相需要微處理器服務(wù)中斷6次來(lái)完成一個(gè)電周期。大多數電機在定子周?chē)贾昧硕鄬Υ艠O對，每次旋轉需要多個(gè)電周期(和更多的中斷)。這樣增加了處理器的負擔，并限制了最高轉速。硬件控制的換相釋放了處理器的負載，從而可以運行其它任務(wù)，允許非常高的旋轉速度，將更高級的系統功能集成到微控制器中。在該實(shí)現中，CPU隨每次中斷進(jìn)行的換相功能被映射到可配置的不需要CPU參與便對電機旋轉進(jìn)行控制的模擬和數字資源。這樣消除了中斷，并使得電機控制功能幾乎完全自主。圖3顯示了如何將需要用來(lái)控制無(wú)刷直流電機的各種功能直接映射到可以實(shí)現僅由硬件實(shí)現換相的微控制器源。