驅(qū)動永磁無刷直流電機的嵌入式微控制器

摘要：本文介紹了一種適用于控制永磁無刷直流電機的廉價嵌入式微控制器，并結(jié)合實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 控制 嵌入式微控制器

一、 概述

永磁無刷直流電機(Permanent Magnet Brushless DC Motor以下簡稱PMBLDC)由于其固有的特點，在家用消費類產(chǎn)品(空調(diào)、冰箱、洗衣機)

和 IT周邊產(chǎn)品(打印機、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，價格已不斷下降，這將大大促進PMBLDC工業(yè)發(fā)展?？梢灶A(yù)計21世紀(jì)PMBLDC將成為應(yīng)用最廣泛的電機，并可以取代傳統(tǒng)直流電機和交流電機+變頻調(diào)傳統(tǒng)模式，成為10kW以下電機傳動的主角。

永磁無刷直流電機性能的發(fā)揮，除電機本身的設(shè)計以外，還要靠驅(qū)動技術(shù)和實現(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電機關(guān)鍵的一部分。它的性能將直接影響整個驅(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：它接收上位機的命令，通過一定的控制方法，來達到預(yù)定的控制目標(biāo);同時把當(dāng)前電機狀態(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。考慮到目前國內(nèi)對INTEL MCS-51系列單片機的應(yīng)用有了廣泛基礎(chǔ)，這里我們選用了完全采用8031核，價格低廉，最高時鐘頻率可達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，cout3可以調(diào)制cc0,cout0,cc1,cout1,cc2,cout2上面，而且其輸出的時序由INT0，INT1，INT2編碼控制。

在圖1中，左邊的fosc/2是整個單元工作的時間基準(zhǔn);

CTRAP端可控制cc0-cout2輸出端狀態(tài)，處于CTRAP狀態(tài)時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)時間;

cout3是單路10 bit PWM輸出端，而INT0～INT2是外部控制，通過INT0～INT2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作為電動自行車的驅(qū)動電機時，工作在硬件模式下的電流波形。

這臺樣機現(xiàn)在已由杭州光陽機電技術(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采用嵌入式微控制器控制時，可以方便地實現(xiàn)平穩(wěn)啟動等一系列普通模擬控制器所無法實現(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電機控制的功能，通過選擇硬件和軟件模式，可方便地達到所需要的控制目的;同時C504價格低廉，抗干擾性強，非常適合作為一個控制芯片，嵌入到類似驅(qū)動板這樣的功率變換器與計算機之間的中間部件。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)控機械，印刷等行業(yè)上應(yīng)用。