基于嵌入式微控制器C504增強(qiáng)無(wú)刷直流電機(jī)的性能的研究

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)通信、信息安全和信息家電產(chǎn)品的普及，嵌入式MCU正是所有這些信息產(chǎn)品中必不可少的部件。目前國(guó)內(nèi)一些科研院校和半導(dǎo)體公司都在致力于研發(fā)自主設(shè)計(jì)的嵌入式微控制器，這對(duì)我國(guó)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、電子產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

一、 概述

無(wú)刷直流電機(jī)由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。電動(dòng)機(jī)的定子繞組多做成三相對(duì)稱星形接法，同三相異步電動(dòng)機(jī)十分相似。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的極性，在電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動(dòng)器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，其功能是：接受電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、制動(dòng)信號(hào)，以控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止和制動(dòng);接受位置傳感器信號(hào)和正反轉(zhuǎn)信號(hào)，用來(lái)控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩;接受速度指令和速度反饋信號(hào)，用來(lái)控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速;提供保護(hù)和顯示等等。

永磁無(wú)刷直流電機(jī)(Permanent Magnet Brushless DC Motor以下簡(jiǎn)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。永磁無(wú)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(dòng)技術(shù)和實(shí)現(xiàn)這一驅(qū)動(dòng)技術(shù)的驅(qū)動(dòng)板來(lái)保證。永磁無(wú)刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)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(guò)一定的控制方法，來(lái)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(duì)PMBLDC驅(qū)動(dòng)板應(yīng)達(dá)到的功能可知，此類驅(qū)動(dòng)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。由于目前國(guó)內(nèi)對(duì)INTEL MCS-51系列單片機(jī)的應(yīng)用有了廣泛基礎(chǔ)，我們選用了完全采用8031核，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(dòng)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(dòng)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(hào)，并且可以通過(guò)設(shè)置Offset Register的數(shù)值來(lái)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(guò)INT0～I(xiàn)NT2的編碼來(lái)控制cc0～cout2的輸出次序。

圖2是C504使用在一臺(tái)外轉(zhuǎn)子的永磁無(wú)刷直流電機(jī)作為電動(dòng)自行車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，工作在硬件模式下的電流波形。

這臺(tái)樣機(jī)現(xiàn)在已由杭州光陽(yáng)機(jī)電技術(shù)有限公司投入生產(chǎn)。當(dāng)用作電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)的永磁無(wú)刷直流電機(jī)采用嵌入式微控制器控制時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)啟動(dòng)等一系列普通模擬控制器所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能。

三、 C504的軟件驅(qū)動(dòng)模式

C504除了提供硬件驅(qū)動(dòng)模式外，另外還提供了可以任意組合PWM輸出的軟件驅(qū)動(dòng)動(dòng)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(tái)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(yǔ)

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(guò)選擇硬件和軟件模式，可方便地達(dá)到所需要的控制目的;且C504價(jià)格低廉，抗干擾性強(qiáng)，適合作為一個(gè)控制芯片，嵌入到類似驅(qū)動(dòng)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。