追求外觀小巧的電機(jī)控制設(shè)計(jì)

　　在今日空間有限的環(huán)境里，設(shè)計(jì)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(qiáng)大的解決方案，例如微處理器、數(shù)字訊號(hào)處理器 (DSP) 和模塊都是設(shè)計(jì)人員選擇這類組件時(shí)可以考慮的對(duì)象。小巧精簡的微控制器也是設(shè)計(jì)人員的理想選擇，因?yàn)樗饶転樾⌒?strong>電機(jī)控制等應(yīng)用提供許多優(yōu)點(diǎn)，又能節(jié)省寶貴的電路板面積。本文將針對(duì)電機(jī)控制應(yīng)用和其特定需求進(jìn)行深入討論。

　　電機(jī)控制基本原理
　　許多應(yīng)用都會(huì)用到功率低于300 W的小型電機(jī)，例如汽車、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、紙張?zhí)幚頇C(jī)、工廠自動(dòng)化、太空和軍事載具、測試設(shè)備和機(jī)械人。整體而言，電機(jī)的產(chǎn)量約和其功率大小成反比，這表示小型電機(jī)的產(chǎn)量遠(yuǎn)超過大型電機(jī)。應(yīng)用最廣泛的小型電機(jī)包括直流電機(jī)、無刷直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。

　　步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)和無刷直流電機(jī)的主要區(qū)別在于它們的驅(qū)動(dòng)方式。步進(jìn)電機(jī)是以步階方式分段移動(dòng)，直流電機(jī)和無刷直流電機(jī)通常則采用連續(xù)移動(dòng)的模擬控制方式。由于步進(jìn)電機(jī)采用步階移動(dòng)，所以特別適合絕對(duì)尋址應(yīng)用，目前市場上常見的步進(jìn)電機(jī)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(jī)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(jī)則是以電機(jī)電壓做為控制變量，以位置或速度做為命令變量。直流電機(jī)需要反饋控制系統(tǒng)，它會(huì)以間接方式控制電機(jī)位置，步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)多半則是以「開環(huán)」方式進(jìn)行操作。

　　步進(jìn)電機(jī)
　　步進(jìn)電機(jī)可以根據(jù)電機(jī)結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)架構(gòu)和步進(jìn)方式來分類。步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)的成本很低，多半用于價(jià)格低廉的消費(fèi)性產(chǎn)品?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)的價(jià)格略高，是工業(yè)移動(dòng)控制應(yīng)用最常見的電機(jī)。可變磁阻電機(jī)通常有3或5個(gè)相位，需要采用不同的驅(qū)動(dòng)電路架構(gòu)。

　　單極性 (unipolar) 和雙極性 (bipolar) 是步進(jìn)電機(jī)最常采用的兩種驅(qū)動(dòng)架構(gòu)。單極性驅(qū)動(dòng)電路使用四顆晶體管來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的兩組相位，電機(jī)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(gè)電機(jī)共有六條線與外界連接。這類電機(jī)有時(shí)又稱為四相電機(jī)，但這種稱呼容易令人混淆又不正確，因?yàn)樗鋵?shí)只有兩個(gè)相位，精確的說法應(yīng)是雙相位六線式步進(jìn)電機(jī)。六線式步進(jìn)電機(jī)雖又稱為單極性步進(jìn)電機(jī)，實(shí)際上卻能同時(shí)使用單極性或雙極性驅(qū)動(dòng)電路。

圖1：單極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

　　雙極性步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路則如圖2所示，它會(huì)使用八顆晶體管來驅(qū)動(dòng)兩組相位。雙極性驅(qū)動(dòng)電路可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)四線式或六線式步進(jìn)電機(jī)，雖然四線式電機(jī)只能使用雙極性驅(qū)動(dòng)電路，它卻能大幅降低量產(chǎn)型應(yīng)用的成本。雙極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的晶體管數(shù)目是單極性驅(qū)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(qū)動(dòng)，上端晶體管則需要成本較高的上端驅(qū)動(dòng)電路。雙極性驅(qū)動(dòng)電路的晶體管只需承受電機(jī)電壓，所以它不像單極性驅(qū)動(dòng)電路一樣需要箝位電路。

　　圖2：雙極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

　　直流和無刷直流電機(jī)
　　直流電機(jī)是最常見和成本最低的小型電機(jī)，并且廣泛用于各種應(yīng)用。無刷直流電機(jī)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(jì)算機(jī)風(fēng)扇等少數(shù)量產(chǎn)應(yīng)用中取代傳統(tǒng)直流電機(jī)。在某些應(yīng)用里，無刷直流電機(jī)有多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)勝過傳統(tǒng)電刷電機(jī)，例如它以電子組件和傳感器取代電刷，不但延長電機(jī)壽命和減少維護(hù)成本，而且也沒有電刷產(chǎn)生的噪音。直流電機(jī)的特性使它成為調(diào)速系統(tǒng)最容易使用的電機(jī)。直流電機(jī)的硬件電路架構(gòu)如圖3所示。

　　選擇正確的電機(jī)控制組件
　　為電機(jī)控制等特定應(yīng)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(yīng)用中充份發(fā)揮它們的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。步進(jìn)、直流和無刷直流電機(jī)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(jī)，例如可做為高效能電機(jī)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(zhǔn)時(shí)鐘和電機(jī)驅(qū)動(dòng)訊號(hào) (pattern)。這顆微控制器可以直接驅(qū)動(dòng)功率MOSFET晶體管，不需要額外的門驅(qū)動(dòng)電路；它還包含串行通訊功能，可用來支持遠(yuǎn)程控制和分布式系統(tǒng)。

　　我們很容易將完整的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路整合至小型步進(jìn)電機(jī)，多電機(jī)系統(tǒng)甚至能為每個(gè)電機(jī)提供一顆小型微控制器。C8051F3xx系列很適合驅(qū)動(dòng)步進(jìn)、直流或無刷直流電機(jī)，這顆組件的精巧體積使其成為理想的整合式電機(jī)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(zhǔn)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(shí)提供精確的高速UART通訊時(shí)基以及電機(jī)時(shí)序訊號(hào)。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(dòng)電機(jī)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(duì)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(fèi)、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(dá)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(dá)10位的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、溫度傳感器、四組16位定時(shí)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(jì)人員還能減少零件數(shù)目和縮小體積，同時(shí)大幅增強(qiáng)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(hào)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(qiáng)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(jī)控制就是C8051F3xx卓越效能的最佳證明。