在今日空間有限的環(huán)境里，設(shè)計人員必須為其應(yīng)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(shù)字訊號處理器 (DSP) 和模塊都是設(shè)計人員選擇這類組件時可以考慮的對象。小巧精簡的微控制器也是設(shè)計人員的理想選擇，因為它既能為小型電機控制等應(yīng)用提供許多優(yōu)點，又能節(jié)省寶貴的電路板面積。本文將針對電機控制應(yīng)用和其特定需求進行深入討論。
電機控制基本原理
許多應(yīng)用都會用到功率低于300 W的小型電機，例如汽車、打印機、復(fù)印機、紙張?zhí)幚頇C、工廠自動化、太空和軍事載具、測試設(shè)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)量遠超過大型電機。應(yīng)用最廣泛的小型電機包括直流電機、無刷直流電機和步進電機。
步進電機、直流電機和無刷直流電機的主要區(qū)別在于它們的驅(qū)動方式。步進電機是以步階方式分段移動，直流電機和無刷直流電機通常則采用連續(xù)移動的模擬控制方式。由于步進電機采用步階移動，所以特別適合絕對尋址應(yīng)用，目前市場上常見的步進電機已能提供每一步1.8°或0.9°的精確移動能力。步進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(tǒng)，它會以間接方式控制電機位置，步進電機系統(tǒng)多半則是以「開環(huán)」方式進行操作。
步進電機
步進電機可以根據(jù)電機結(jié)構(gòu)、驅(qū)動架構(gòu)和步進方式來分類。步進電機的結(jié)構(gòu)有好幾種，包括可變磁阻 (variable reluctance)、永磁和混合式永磁 (hybrid permanent magnet)，永磁步進電機的成本很低，多半用于價格低廉的消費性產(chǎn)品。混合式步進電機的價格略高，是工業(yè)移動控制應(yīng)用最常見的電機。可變磁阻電機通常有3或5個相位，需要采用不同的驅(qū)動電路架構(gòu)。
單極性 (unipolar) 和雙極性 (bipolar) 是步進電機最常采用的兩種驅(qū)動架構(gòu)。單極性驅(qū)動電路使用四顆晶體管來驅(qū)動步進電機的兩組相位，電機結(jié)構(gòu)則如圖1所示包含兩組帶有中間抽頭的線圈，整個電機共有六條線與外界連接。這類電機有時又稱為四相電機，但這種稱呼容易令人混淆又不正確，因為它其實只有兩個相位，精確的說法應(yīng)是雙相位六線式步進電機。六線式步進電機雖又稱為單極性步進電機，實際上卻能同時使用單極性或雙極性驅(qū)動電路。
圖1：單極性步進電機驅(qū)動電路
雙極性步進電機的驅(qū)動電路則如圖2所示，它會使用八顆晶體管來驅(qū)動兩組相位。雙極性驅(qū)動電路可以同時驅(qū)動四線式或六線式步進電機，雖然四線式電機只能使用雙極性驅(qū)動電路，它卻能大幅降低量產(chǎn)型應(yīng)用的成本。雙極性步進電機驅(qū)動電路的晶體管數(shù)目是單極性驅(qū)動電路的兩倍，其中四顆下端晶體管通常是由微控制器直接驅(qū)動，上端晶體管則需要成本較高的上端驅(qū)動電路。雙極性驅(qū)動電路的晶體管只需承受電機電壓，所以它不像單極性驅(qū)動電路一樣需要箝位電路。
圖2：雙極性步進電機驅(qū)動電路
直流和無刷直流電機
直流電機是最常見和成本最低的小型電機，并且廣泛用于各種應(yīng)用。無刷直流電機宣稱能提供更高可靠性以及更低噪聲和成本，然而到目前為止，它卻只能在磁盤或計算機風扇等少數(shù)量產(chǎn)應(yīng)用中取代傳統(tǒng)直流電機。在某些應(yīng)用里，無刷直流電機有多項優(yōu)點勝過傳統(tǒng)電刷電機，例如它以電子組件和傳感器取代電刷，不但延長電機壽命和減少維護成本，而且也沒有電刷產(chǎn)生的噪音。直流電機的特性使它成為調(diào)速系統(tǒng)最容易使用的電機。直流電機的硬件電路架構(gòu)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(yīng)用選擇組件時，必須先了解這些組件的功能特色，然后在應(yīng)用中充份發(fā)揮它們的各項優(yōu)點。步進、直流和無刷直流電機通常是由提供有限控制功能的專用組件來控制，這些組件大都只有簡單的微處理器界面，系統(tǒng)效能因此受到很大限制。
嵌入式系統(tǒng)最好使用小型微控制器來直接控制電機，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性速度控制資料 (linear-velocity profile)，并能產(chǎn)生所需的精準時鐘和電機驅(qū)動訊號 (pattern)。這顆微控制器可以直接驅(qū)動功率MOSFET晶體管，不需要額外的門驅(qū)動電路；它還包含串行通訊功能，可用來支持遠程控制和分布式系統(tǒng)。
我們很容易將完整的步進電機驅(qū)動電路整合至小型步進電機，多電機系統(tǒng)甚至能為每個電機提供一顆小型微控制器。C8051F3xx系列很適合驅(qū)動步進、直流或無刷直流電機，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(nèi)建UART和SMBus總線可以提供串行通訊和控制功能，經(jīng)過校準的內(nèi)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(shù)，同時提供精確的高速UART通訊時基以及電機時序訊號。這顆微控制器雖然采用低接腳數(shù)封裝，但仍有足夠接腳來驅(qū)動電機和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(yīng)用提供多種最佳功能，最適合用于消費、工業(yè)、通訊和汽車市場。
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(nèi)建功能包括：2-16 KB程序空間、精度2%的24M內(nèi)部振蕩器、最高1280 Byte的RAM內(nèi)存、高達10位的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、溫度傳感器、四組16位定時器以及5通道PCA和用戶可分配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(tǒng)設(shè)計人員還能減少零件數(shù)目和縮小體積，同時大幅增強系統(tǒng)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(tǒng)單芯片，若再搭配低成本的專業(yè)開發(fā)工具和在線調(diào)試功能 (in-system debug)，產(chǎn)品開發(fā)將變得簡單快速。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(yīng)用的最佳選擇 - 電機控制就是C8051F3xx卓越效能的最佳證明。
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