追求外觀(guān)小巧的電機控制設計

　　在今日空間有限的環(huán)境里，設計人員必須為其應用尋找功能豐富、體積精巧而整體效能強大的解決方案，例如微處理器、數字訊號處理器 (DSP) 和模塊都是設計人員選擇這類(lèi)組件時(shí)可以考慮的對象。小巧精簡(jiǎn)的微控制器也是設計人員的理想選擇，因為它既能為小型電機控制等應用提供許多優(yōu)點(diǎn)，又能節省寶貴的電路板面積。本文將針對電機控制應用和其特定需求進(jìn)行深入討論。

　　電機控制基本原理
　　許多應用都會(huì )用到功率低于300 W的小型電機，例如汽車(chē)、打印機、復印機、紙張處理機、工廠(chǎng)自動(dòng)化、太空和軍事載具、測試設備和機械人。整體而言，電機的產(chǎn)量約和其功率大小成反比，這表示小型電機的產(chǎn)量遠超過(guò)大型電機。應用最廣泛的小型電機包括直流電機、無(wú)刷直流電機和步進(jìn)電機。

　　步進(jìn)電機、直流電機和無(wú)刷直流電機的主要區別在于它們的驅動(dòng)方式。步進(jìn)電機是以步階方式分段移動(dòng)，直流電機和無(wú)刷直流電機通常則采用連續移動(dòng)的模擬控制方式。由于步進(jìn)電機采用步階移動(dòng)，所以特別適合絕對尋址應用，目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的步進(jìn)電機已能提供每一步1.8或0.9的精確移動(dòng)能力。步進(jìn)電機采用直接控制方式，它的主要命令和控制變量都是步階位置 (step position)；相形之下，直流電機則是以電機電壓做為控制變量，以位置或速度做為命令變量。直流電機需要反饋控制系統，它會(huì )以間接方式控制電機位置，步進(jìn)電機系統多半則是以「開(kāi)環(huán)」方式進(jìn)行操作。

　　步進(jìn)電機
　　步進(jìn)電機可以根據電機結構、驅動(dòng)架構和步進(jìn)方式來(lái)分類(lèi)。步進(jìn)電機的結構有好幾種，包括可變磁阻 (variable reluctance)、永磁和混合式永磁 (hybrid permanent magnet)，永磁步進(jìn)電機的成本很低，多半用于價(jià)格低廉的消費性產(chǎn)品?；旌鲜讲竭M(jìn)電機的價(jià)格略高，是工業(yè)移動(dòng)控制應用最常見(jiàn)的電機?？勺兇抛桦姍C通常有3或5個(gè)相位，需要采用不同的驅動(dòng)電路架構。

　　單極性 (unipolar) 和雙極性 (bipolar) 是步進(jìn)電機最常采用的兩種驅動(dòng)架構。單極性驅動(dòng)電路使用四顆晶體管來(lái)驅動(dòng)步進(jìn)電機的兩組相位，電機結構則如圖1所示包含兩組帶有中間抽頭的線(xiàn)圈，整個(gè)電機共有六條線(xiàn)與外界連接。這類(lèi)電機有時(shí)又稱(chēng)為四相電機，但這種稱(chēng)呼容易令人混淆又不正確，因為它其實(shí)只有兩個(gè)相位，精確的說(shuō)法應是雙相位六線(xiàn)式步進(jìn)電機。六線(xiàn)式步進(jìn)電機雖又稱(chēng)為單極性步進(jìn)電機，實(shí)際上卻能同時(shí)使用單極性或雙極性驅動(dòng)電路。

圖1：?jiǎn)螛O性步進(jìn)電機驅動(dòng)電路

　　雙極性步進(jìn)電機的驅動(dòng)電路則如圖2所示，它會(huì )使用八顆晶體管來(lái)驅動(dòng)兩組相位。雙極性驅動(dòng)電路可以同時(shí)驅動(dòng)四線(xiàn)式或六線(xiàn)式步進(jìn)電機，雖然四線(xiàn)式電機只能使用雙極性驅動(dòng)電路，它卻能大幅降低量產(chǎn)型應用的成本。雙極性步進(jìn)電機驅動(dòng)電路的晶體管數目是單極性驅動(dòng)電路的兩倍，其中四顆下端晶體管通常是由微控制器直接驅動(dòng)，上端晶體管則需要成本較高的上端驅動(dòng)電路。雙極性驅動(dòng)電路的晶體管只需承受電機電壓，所以它不像單極性驅動(dòng)電路一樣需要箝位電路。

　　圖2：雙極性步進(jìn)電機驅動(dòng)電路

　　直流和無(wú)刷直流電機
　　直流電機是最常見(jiàn)和成本最低的小型電機，并且廣泛用于各種應用。無(wú)刷直流電機宣稱(chēng)能提供更高可靠性以及更低噪聲和成本，然而到目前為止，它卻只能在磁盤(pán)或計算機風(fēng)扇等少數量產(chǎn)應用中取代傳統直流電機。在某些應用里，無(wú)刷直流電機有多項優(yōu)點(diǎn)勝過(guò)傳統電刷電機，例如它以電子組件和傳感器取代電刷，不但延長(cháng)電機壽命和減少維護成本，而且也沒(méi)有電刷產(chǎn)生的噪音。直流電機的特性使它成為調速系統最容易使用的電機。直流電機的硬件電路架構如圖3所示。

　　選擇正確的電機控制組件
　　為電機控制等特定應用選擇組件時(shí)，必須先了解這些組件的功能特色，然后在應用中充份發(fā)揮它們的各項優(yōu)點(diǎn)。步進(jìn)、直流和無(wú)刷直流電機通常是由提供有限控制功能的專(zhuān)用組件來(lái)控制，這些組件大都只有簡(jiǎn)單的微處理器界面，系統效能因此受到很大限制。

　　嵌入式系統最好使用小型微控制器來(lái)直接控制電機，例如可做為高效能電機控制解決方案的C8051F3xx系列。這顆微控制器包含線(xiàn)性速度控制資料 (linear-velocity profile)，并能產(chǎn)生所需的精準時(shí)鐘和電機驅動(dòng)訊號 (pattern)。這顆微控制器可以直接驅動(dòng)功率MOSFET晶體管，不需要額外的門(mén)驅動(dòng)電路；它還包含串行通訊功能，可用來(lái)支持遠程控制和分布式系統。

　　我們很容易將完整的步進(jìn)電機驅動(dòng)電路整合至小型步進(jìn)電機，多電機系統甚至能為每個(gè)電機提供一顆小型微控制器。C8051F3xx系列很適合驅動(dòng)步進(jìn)、直流或無(wú)刷直流電機，這顆組件的精巧體積使其成為理想的整合式電機解決方案，芯片內建UART和SMBus總線(xiàn)可以提供串行通訊和控制功能，經(jīng)過(guò)校準的內部振蕩器則能免掉使用外部石英晶體的成本和所占用的接腳數，同時(shí)提供精確的高速UART通訊時(shí)基以及電機時(shí)序訊號。這顆微控制器雖然采用低接腳數封裝，但仍有足夠接腳來(lái)驅動(dòng)電機和RS232收發(fā)器，另外它還保留了2只I/O接腳給其它特殊功能使用。

　　C8051F3xx系列是Silicon Laboratories的高整合度小型微控制器，它能針對空間有限的低功耗和低成本應用提供多種最佳功能，最適合用于消費、工業(yè)、通訊和汽車(chē)市場(chǎng)。

　　C805F3xx系列是世界體積最小的微控制器 (3 3厘米)，它所采用的流水線(xiàn)式8051微處理器指令速度高達25 MIPS，比普通的8051還高出20至25倍。其它芯片內建功能包括：2-16 KB程序空間、精度2%的24M內部振蕩器、最高1280 Byte的RAM內存、高達10位的模擬數字轉換器、溫度傳感器、四組16位定時(shí)器以及5通道PCA和用戶(hù)可分配I/O的功能。C8051F3xx把這些常用零件整合至體積精巧的MLP封裝，不但省下昂貴的體積大的離散器件，系統設計人員還能減少零件數目和縮小體積，同時(shí)大幅增強系統效能 (參考圖3)。

　　圖3：Silicon Laboratories C8051F3x微控制器系列功能方塊圖

　　Silicon Laboratories微控制器提供體積精巧的混合訊號系統單芯片，若再搭配低成本的專(zhuān)業(yè)開(kāi)發(fā)工具和在線(xiàn)調試功能 (in-system debug)，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)將變得簡(jiǎn)單快速。C8051F3xx系列擁有高整合度、小體積、高處理器產(chǎn)出和最強大的模擬外圍功能，這使它成為各種應用的最佳選擇 - 電機控制就是C8051F3xx卓越效能的最佳證明。