掌握MCU軟件設(shè)計準則 實現(xiàn)直流馬達控制精準度提升

300瓦以下的小功率馬達適合以MCU做為控制方案，在各家MCU硬件規(guī)格差異化日漸縮小之下，軟件演算設(shè)計就顯得相形重要，若能掌握MCU控制各種直流馬達的軟件設(shè)計原則，將能大幅提升馬達控制的精準度。

運作在300瓦(W)以下的小功率馬達被廣泛應(yīng)用于各類應(yīng)用，例如汽車系統(tǒng)、打印機、復(fù)印機、碎紙機、玩具、工廠自動化、測試設(shè)備、機器人技術(shù)、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(chǎn)量大致與功率大小成反比，量產(chǎn)的小功率馬達數(shù)量遠遠高于大功率馬達數(shù)量。

專用于馬達控制的數(shù)字信號處理器(DSP)設(shè)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(yīng)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(fù)雜度。這些軟件范例能夠做為開發(fā)更復(fù)雜馬達驅(qū)動系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

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(zhuǎn)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(guān)系。驅(qū)動穩(wěn)定扭矩負載、線性負載或指數(shù)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(yù)測的，因此，在大多數(shù)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(diào)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(guān)系(這里忽略馬達電感和不連續(xù)運行導(dǎo)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(shù)字轉(zhuǎn)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(yīng)的PWM信號(圖2)。

圖2　DC馬達驅(qū)動電路

單個N通道功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效晶體管(MOSFET)Q1用于驅(qū)動DC馬達。功率MOSFET應(yīng)當(dāng)根據(jù)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(dāng)MOSFET關(guān)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(jīng)由飛輪二極管繼續(xù)流動。

大多數(shù)低壓馬達驅(qū)動電路利用蕭特基功率整流器實現(xiàn)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(fù)時間。這兩者在馬達驅(qū)動應(yīng)用中都是非常重要的參數(shù)因子。

功率MOSFET由反向閘極驅(qū)動器驅(qū)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(guān)器和周邊啟用之前，端口引腳一直保持高電平。當(dāng)復(fù)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(qū)動器，功率晶體管在預(yù)設(shè)狀態(tài)下處于關(guān)閉狀態(tài)。如果使用非反相器驅(qū)動，10k下拉電阻應(yīng)當(dāng)端口引腳和接地。

為使用3伏特(V)微控制器，閘極驅(qū)動器應(yīng)當(dāng)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(qū)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(qū)動器電源電壓是需要的，通常為5V或者12V。當(dāng)采用低于10V的閘極驅(qū)動器電源電壓時，應(yīng)當(dāng)使用邏輯電平功率MOSFET。

軟件實現(xiàn)非常簡單。main()函數(shù)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(shù)讀取電位器電壓值，然后輸出這個值到8位PWM。

PORT_Init()函數(shù)配置端口輸入/輸出(I/O)、周邊、?用數(shù)位交叉開關(guān)器。在這里，為8位PWM?用端口引腳，為閘極驅(qū)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(shù)配置ADC為查詢模式。ADC增益設(shè)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(shù)readADC()采用查詢模式讀取電壓值一次，并返回ADC值。函數(shù)avgADC()調(diào)用readADC()函數(shù)，并且返回六十四個采樣值的平均值。平均化ADC讀數(shù)可以最小化噪聲影響，減少PWM輸出抖動。

當(dāng)使用PCA 8位PWM模式時，在CEX0輸出0x00值對應(yīng)到100%的工作周期比;輸出0xFF值對應(yīng)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(xiàn)。

當(dāng)使用反向驅(qū)動器時，這種關(guān)系是相反的。在MOSFET閘極驅(qū)動器上，0x00值對應(yīng)到0%的工作周期比，0xFF值對應(yīng)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(guān)損耗。由于MOSFET從不會關(guān)閉，因此在MOSFET上沒有開關(guān)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(dǎo)損耗。如果馬達預(yù)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(jīng)由清除PCA0CPM0 SFR中的ECOM0位來實現(xiàn)。

MCU軟件襄助　永磁DC馬達更適于反轉(zhuǎn)應(yīng)用

永磁DC馬達通常被用于須要反轉(zhuǎn)馬達方向的應(yīng)用中。為了反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)方向，須要反轉(zhuǎn)馬達上電壓的極性。這須要使用H橋電路(圖3)，H橋電路有四個晶體管。當(dāng)在正方向驅(qū)動馬達時，Q4打開，PWM信號應(yīng)用于晶體管Q1。在反方向上驅(qū)動馬達，Q3打開，PWM信號應(yīng)用于晶體管Q2。在這個范例中，下部的晶體管被用于PWM速度控制;上部的晶體管被用于轉(zhuǎn)向，使用這種拓撲結(jié)構(gòu)，可以在兩個方向上提供變速控制。

圖3　DC馬達全橋電路

在圖3中，N通道功率MOSFET被用于低壓側(cè)晶體管，P通道功率MOSFET被用于高壓側(cè)晶體管。對于驅(qū)動20V以下的DC馬達來說，利用互補功率MOSFET是非常符合成本效益的。如圖3所示，低壓側(cè)閘極驅(qū)動器帶有反相器;而高壓側(cè)閘極驅(qū)動器沒有反相器。閘極驅(qū)動器極性被選擇，以確保當(dāng)端口引腳在弱上拉?動的重置配置模式下，功率晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)。

該范例軟件建構(gòu)在基本范例代碼上。主回路現(xiàn)在包括一個if語句檢查反轉(zhuǎn)開關(guān)SW1的狀態(tài)。當(dāng)反轉(zhuǎn)按鍵被按下，PWM停止運作，同時所有P0輸出也同樣被禁止。當(dāng)按鍵釋放后，馬達將反轉(zhuǎn)方向。范例軟件中的初始化函數(shù)類似于DC有刷馬達控制，只是除了增加額外的推挽式輸出引腳配置之外。

調(diào)用reverse()函數(shù)反轉(zhuǎn)馬達方向。標志位Fwd用于保存馬達狀態(tài)，F(xiàn)wd位被切換用于判斷哪些輸出須要啟動。

反轉(zhuǎn)馬達還存在一個潛在的問題。當(dāng)反轉(zhuǎn)開關(guān)SW1被按下時，馬達可能由于馬達慣性而繼續(xù)旋轉(zhuǎn)一段時間。當(dāng)馬達正在轉(zhuǎn)動時，它將產(chǎn)生與馬達速度成比例關(guān)系的反向電動勢;如果馬達停止旋轉(zhuǎn)之前反向按鍵被釋放，馬達反向電動勢將透過上部晶體管而短路，如下所述。

參考圖4，假設(shè)開始時Q4處于打開狀態(tài)，馬達正在正方向上旋轉(zhuǎn);假設(shè)馬達正在運行，并且反向電動勢大約為6V?，F(xiàn)在反轉(zhuǎn)開關(guān)被按下，所有四個晶體管被關(guān)閉，馬達右側(cè)將比左側(cè)高約6V;然后開關(guān)釋放，打開Q3，馬達左側(cè)被上拉到電源電壓，馬達的反向電動勢必透過Q4的內(nèi)部二極管而短路。

圖4　DC馬達反轉(zhuǎn)危害

最終的結(jié)果是，馬達停止，在馬達機械慣性中儲存的所有能量被注入Q4。反轉(zhuǎn)過程中很容易損壞上部晶體管，在一些具有較大摩擦力負載的應(yīng)用中，一個固定延遲時間可以確保馬達有足夠時間停止。而在其他應(yīng)用中，馬達可能須要花費幾秒鐘才完全停止，這個問題的通用解決方案，如圖4所示。

軟件防護法助力　DC馬達反轉(zhuǎn)控制更安全

這個用于DC馬達的軟件范例基于第二個范例，提供軟件防護方法。為了安全的反轉(zhuǎn)DC馬達，我們須要判斷馬達是否還處于運轉(zhuǎn)中。

確定馬達是否仍然處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的簡單而有效方法，是測量跨接在馬達端子上的電壓差。ADC能夠被配置，去測量模擬多路選擇器中的任意兩個輸入引腳上的差動電壓?？沙绦蛟O(shè)計的窗口檢測器也可以用于判斷差動電壓是否屬于默認極限。在這個范例軟件中，如果差動馬達電壓在100毫秒(ms)內(nèi)保持在滿量程的3%以下，那么馬達即開始反轉(zhuǎn)。具備電壓感應(yīng)功能的DC馬達驅(qū)動的硬件實現(xiàn)，類似于在馬達端子上分別添加兩個電阻分壓器(圖5)。

圖5　帶有電壓感應(yīng)能力的DC馬達驅(qū)動

主回路已經(jīng)被改進用來檢測馬達是否停止。detectStop()函數(shù)首先配置ADC去測量差動電壓，ADC和窗口檢測器都適用于查詢模式。如果ADC值在默認窗口范圍內(nèi)，那么計數(shù)器增加。使用實現(xiàn)10ms延遲的定時器T0設(shè)置采樣時間，任何在窗口之外的采樣值將重置定時器，退出while回路之前，它將使用十個連續(xù)的采樣值;返回到主回路之前，detectStop()函數(shù)將重新配置ADC去測量速度電位器。

憑借軟件算法　無刷直流馬達變速控制性能大增

無刷直流馬達提供一些傳統(tǒng)有刷換向DC馬達所沒有的優(yōu)點。電子和傳感器有效的替代電刷角色，提供更長的壽命，減少維護操作，并且沒有電刷噪聲。正確整流的無刷直流馬達的扭矩-速度特性完全相同于如圖1所示的DC馬達，因此，無刷直流馬達展現(xiàn)出與DC馬達相同的滿足需求的質(zhì)量，非常適用于變速控制。這個范例為使用霍爾效應(yīng)傳感器控制馬達換向的無刷直流馬達，提供簡單的開放回路控制，無刷直流馬達的速度使用簡單的電位器控制。在這種方式下的無刷直流馬達控制的特點，類似于經(jīng)典DC馬達控制范例。

這個范例的硬件實現(xiàn)如圖6所示。馬達由六個功率晶體管驅(qū)動，構(gòu)成三相橋式結(jié)構(gòu)。下部的晶體管Q1-3是N通道功率MOSFET;上部的三個晶體管是P通道功率MOSFET。這樣就簡化閘極驅(qū)動器管理，此外，互補閘極驅(qū)動器的使用使得在預(yù)設(shè)狀態(tài)下，功率晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)。

圖6　無刷DC馬達驅(qū)動

霍爾效應(yīng)傳感器有開集電極輸出，需要上拉電阻。檢查馬達規(guī)格確保霍爾效應(yīng)傳感器是適合配置的，開集電極輸出通常是3V兼容的，然而，霍爾效應(yīng)傳感器也需要一個偏置電源，通常須要超過3V。在大多數(shù)系統(tǒng)中，霍爾效應(yīng)傳感器能夠關(guān)閉馬達電源電壓，或者閘極驅(qū)動器電源電壓。

使用斷點調(diào)變軟件可能會將馬達和MOSFET置于不良狀態(tài)。當(dāng)MCU遇到一個斷點時，引腳被及時的有效凍結(jié)，而且可以留下PWM輸出處于啟動狀態(tài)。這里推薦的流程是在進行單步調(diào)變或者使用斷點之前，一直斷開馬達電源連接。BLDC馬達在跨越繞組時，將會滿電壓失速。BLDC馬達失速電流僅僅與繞組的內(nèi)阻相關(guān)，這很可能損壞功率MOSFET。

PORT_Init()函數(shù)對交叉開關(guān)器和輸出引腳分配進行設(shè)置。額外的控制引腳為3-相控制而設(shè)置為推挽式輸出，為讀取霍爾傳感器而設(shè)置為輸入。

可程序設(shè)計計數(shù)器數(shù)組時基采用160ns，啟動計數(shù)器。然而，模塊0模式SFR沒有初始化為8位PWM。在霍爾效應(yīng)位置被確定之前，沒有馬達驅(qū)動被?用。

main()函數(shù)首先初始化相關(guān)資源，設(shè)置start標志位。主回路首先使用hallPosition()函數(shù)檢測霍爾效應(yīng)傳感器的位置。如果start標志位被設(shè)置或者霍爾位置已經(jīng)改變，馬達透過調(diào)用commutate()函數(shù)進行換向。接下來，速度輸入被讀取，速度設(shè)置被寫入PWM輸出。

hallPosition()函數(shù)在錯誤狀態(tài)時返回0，這發(fā)生在霍爾效應(yīng)輸入全為高或全為低時。如果錯誤發(fā)生，主回路經(jīng)過調(diào)用coast()函數(shù)使所有輸出無效;起始位也在錯誤條件發(fā)生時置位，而迫使換向發(fā)生在下一個合法的霍爾位置讀數(shù)時。[!--empirenews.page--]

readHalls()函數(shù)在霍爾效應(yīng)輸入端口引腳上讀取，并且去除霍爾效應(yīng)編碼抖動，該函數(shù)等待三個連續(xù)的相同讀數(shù)。當(dāng)霍爾編碼正在改變時，這種方式降低錯誤讀數(shù)的可能性。

hallPosition()首先透過上面描述的readHalls()函數(shù)讀取霍爾效應(yīng)編碼?；魻柧幋a模式被儲存在常量數(shù)組hallPattern[]中。為了匹配霍爾效應(yīng)編碼，一個帶有后遞減的單行for回路被用于尋找對應(yīng)的索引。hallPosition()函數(shù)如果發(fā)現(xiàn)一個匹配的模式，則返回1-6中的一個值;如果沒有發(fā)現(xiàn)匹配，hallPosition()函數(shù)返回0值。

commutate()函數(shù)用來在啟動時初始化輸出，當(dāng)霍爾位置改變時改變輸出狀態(tài)，并且在檢測到霍爾錯誤后重新啟動馬達。commutate()函數(shù)首先禁止PWM和上部的晶體管，然后，它才使用從hallPosition()函數(shù)中獲得的索引。

對于霍爾效應(yīng)模式或者整流模式來說，沒有統(tǒng)一的標準。請參閱你所使用之特定馬達制造商所提供的數(shù)據(jù)手冊，依據(jù)制造商的資料手冊仔細查核兩種模式。同時，也請檢查霍爾效應(yīng)模式和整流模式之間的通信，必要時請改變兩種模式之間的位移。