驅(qū)動永磁無刷直流電機(jī)的嵌入式微控制器

摘要：本文介紹了一種適用于控制永磁無刷直流電機(jī)的廉價(jià)嵌入式微控制器，并結(jié)合實(shí)例給出了軟件和硬件兩種控制方法。

關(guān)鍵詞：永磁無刷直流電機(jī) 控制 嵌入式微控制器

一、 概述

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(diǎn)，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。它具有結(jié)構(gòu)簡單、高效、低噪聲、高功率密度、啟動扭矩大、壽命長等其它種類直流電機(jī)無法比擬的特性。我國是稀土大國，稀土永磁材料經(jīng)過這幾年的發(fā)展，已經(jīng)有了一定的規(guī)模，質(zhì)量和數(shù)據(jù)都有較大的提高，價(jià)格已不斷下降，這將大大促進(jìn)PMBLDC工業(yè)發(fā)展?？梢灶A(yù)計(jì)21世紀(jì)PMBLDC將成為應(yīng)用最廣泛的電機(jī)，并可以取代傳統(tǒng)直流電機(jī)和交流電機(jī)+變頻調(diào)傳統(tǒng)模式，成為10kW以下電機(jī)傳動的主角。

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(jì)以外，還要靠驅(qū)動技術(shù)和實(shí)現(xiàn)這一驅(qū)動技術(shù)的驅(qū)動板來保證。驅(qū)動板是永磁無刷直流電機(jī)電機(jī)關(guān)鍵的一部分。它的性能將直接影響整個(gè)驅(qū)動系統(tǒng)的性能指標(biāo)。隨著電子產(chǎn)品向數(shù)字化方向的發(fā)展，MCU已大量應(yīng)用。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(shí)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?？紤]到目前國內(nèi)對INTEL MCS-51系列單片機(jī)的應(yīng)用有了廣泛基礎(chǔ)，這里我們選用了完全采用8031核，價(jià)格低廉，最高時(shí)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(shí)，cout3可以調(diào)制cc0,cout0,cc1,cout1,cc2,cout2上面，而且其輸出的時(shí)序由INT0，INT1，INT2編碼控制。

在圖1中，左邊的fosc/2是整個(gè)單元工作的時(shí)間基準(zhǔn);

CTRAP端可控制cc0-cout2輸出端狀態(tài)，處于CTRAP狀態(tài)時(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)，可以方便地實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)啟動等一系列普通模擬控制器所無法實(shí)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;

2)控制的方法可以是一般的PWM，也可以是SPWM控制，這一點(diǎn)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。

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;同時(shí)C504價(jià)格低廉，抗干擾性強(qiáng)，非常適合作為一個(gè)控制芯片，嵌入到類似驅(qū)動板這樣的功率變換器與計(jì)算機(jī)之間的中間部件。目前，我們正在采用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。