基于硬件的無刷直流電機

　　很顯然，今天的無刷直流(BLDC)電機取代了從空調(diào)到遙控車的任何其它電機，帶來了高效和可靠性的優(yōu)勢。無刷直流電動機的成本在過去10年來大大下降，從而使用率急劇攀升。控制帶傳感器的無刷直流電機有些簡單，大部分微控制器能夠?qū)崿F(xiàn)。不過，在需要高RPM的應用中，例如紡織機、遙控汽車、工業(yè)控制，CPU會被持續(xù)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，就會很容易。但是，如果必須執(zhí)行其它時序/CPU密集型功能，這可能會產(chǎn)生問題。本文將介紹一種僅由硬件實現(xiàn)的電機換相方法，使CPU不再承擔維持電動機速度的負擔，使其不再執(zhí)行其它功能，例如射頻通信，數(shù)據(jù)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(qū)動多個電機，從而可以為需要多個電機、使用多個專用微控制器的應用降低BOM。

　　顯然，今天的無刷直流電機已成為在效率、可靠性和性能至關(guān)重要的應用時最廣泛使用的發(fā)動機之一。符合能源之星標準，推動了洗衣機、干衣機、空調(diào)、冰箱等白色家電的發(fā)展，其使用無刷直流電機提高了工作效率。工業(yè)自動化設(shè)備、電動自行車、水泵、無線電遙控車和其它許多產(chǎn)品也已經(jīng)開始使用無刷直流電機。

　　當進行電機控制設(shè)計時，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(shè)計中，工程師選擇了微控制器，因為它們設(shè)計靈活，并且將其它各種功能包括用戶接口(按鈕、開關(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)先級中斷需要用來控制電機，所執(zhí)行的外圍功能被限制到減緩、非CPU密集型功能。如果終端設(shè)備需要數(shù)據(jù)加密、矢量分析或其它類型的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?qū)⒃O(shè)計切分為電機控制部分的專用微控制器和設(shè)備中所需的其它功能應用的微控制器。因此這個解決方案對工程時間、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(zhí)行其它功能，并允許將所有設(shè)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(diào)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(zhuǎn))為電動控制。電機要求定子繞組按照特定的序列加電。為了實現(xiàn)該序列，知道轉(zhuǎn)子位置很重要。通過使用傳感器來實現(xiàn)，如霍爾效應傳感器(傳感器控制)，或通過感應反電勢(無傳感器控制)?；魻栃獋鞲衅髑度朐诙ㄗ又?。當轉(zhuǎn)子磁極在霍爾傳感器附近通過時，提供一個高或低信號，表明南極或北極正從附近通過。轉(zhuǎn)子的位置通過三個霍爾傳感器信號的準確組合來導出。

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

　　轉(zhuǎn)子北極吸引繞組南極和/或排斥北極。

　　在北極/南極對正前，下一個繞組通電，使電機保持轉(zhuǎn)動(參見圖2)。

　　微控制器通過啟用和禁用按照要求的序列提供通過繞組的電流的外部電源設(shè)備使無刷直流電機保持旋轉(zhuǎn)。有效換相要求按照電動機的旋轉(zhuǎn)需要的序列提供繞組電流通電定時。對于配置傳感器的無刷直流電機控制，每次霍爾傳感器的狀態(tài)變化時就會產(chǎn)生中斷，這表明電機已進入下一個換相狀態(tài)。此時，CPU必須根據(jù)它剛剛進入的狀態(tài)，確定啟用和禁用的PWM輸出。電機旋轉(zhuǎn)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(zhí)行，以確保平穩(wěn)的旋轉(zhuǎn)，并保持對電機速度的控制。

　　傳統(tǒng)的步進換相需要微處理器服務(wù)中斷6次來完成一個電周期。大多數(shù)電機在定子周圍布置了多對磁極對，每次旋轉(zhuǎn)需要多個電周期(和更多的中斷)。這樣增加了處理器的負擔，并限制了最高轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速度，將更高級的系統(tǒng)功能集成到微控制器中。在該實現(xiàn)中，CPU隨每次中斷進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(zhuǎn)進行控制的模擬和數(shù)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控制無刷直流電機的各種功能直接映射到可以實現(xiàn)僅由硬件實現(xiàn)換相的微控制器源。