適用于控制永磁無刷直流電機的嵌入式微控制器

一、 概述

無刷直流電機由電動機主體和驅動器組成，是一種典型的機電一體化產品。電動機的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機十分相似。電動機的轉子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動機轉子的極性，在電動機內裝有位置傳感器。驅動器由功率電子器件和集成電路等構成，其功能是：接受電動機的啟動、停止、制動信號，以控制電動機的啟動、停止和制動；接受位置傳感器信號和正反轉信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產生連續轉矩；接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調整轉速；提供保護和顯示等等。

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，在家用消費類產品（空調、冰箱、洗衣機）和IT周邊產品（打印機、軟驅、硬驅）中得到廣泛的應用。永磁無刷直流電機性能的發揮，除電機本身的設計以外，還要靠驅動技術和實現這一驅動技術的驅動板來保證。永磁無刷直流電機的驅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，來達到預定的控制目標；同時把當前電機狀態及一些基本參數返回給上位控制的MCU。由上述對PMBLDC驅動板應達到的功能可知，此類驅動板的核心器件應是帶多路（6路以上）PWM輸出的嵌入式微控制器。由于目前國內對INTEL MCS-51系列單片機的應用有了廣泛基礎，我們選用了完全采用8031核，最高時鐘頻率可達40MHz的Infineon C504嵌入式微控制器。

二、 C504的硬件驅動模式

C504在8031核的基礎上，除了增加A/D轉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C504工作在硬件驅動模式時，cout3可以調制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；

CTRAP端可控制cc0-cout2輸出端狀態，處于CTRAP狀態時cc0～cout2的狀態可軟件定義；

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，并且可以通過設置Offset RegiSTer的數值來控制其死區時間；

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使用在一臺外轉子的永磁無刷直流電機作為電動自行車的驅動電機時，工作在硬件模式下的電流波形。

這臺樣機現在已由杭州光陽機電技術有限公司投入生產。當用作電動車驅動的永磁無刷直流電機采用嵌入式微控制器控制時，可以實現平穩啟動等一系列普通模擬控制器所無法實現的功能。

三、 C504的軟件驅動模式

C504除了提供硬件驅動模式外，另外還提供了可以任意組合PWM輸出的軟件驅動動模式，如圖3所示。

所講任意組合有兩層含義：

1）制的電機的相數可以選擇，并可用不同的ccx和coutx（x=0，1，2）端；

四、 結語

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；且C504價格低廉，抗干擾性強，適合作為一個控制芯片，嵌入到類似驅動板這樣的功率變換器與計算機之間的中間部件。目前，我們采用C504作為多軸控制系統的底層嵌入式控制芯片，準備在數控機械，印刷等行業上應用。

2）控制的方法可以是一般的PWM，也可以是SPWM控制，這一點可以應用到PMBLDC的準正弦電流控制中。

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。