驱动永磁无刷直流电机的嵌入式微控制器

    摘要：本文介绍了一种适用于控制永磁无刷直流电机的廉价嵌入式微控制器，并结合实例给出了软件和硬件两种控制方法。

    关键词：永磁无刷直流电机  控制  嵌入式微控制器

一、 概述

永磁无刷直流电机（Permanent Magnet Brushless DC Motor以下简称PMBLDC）由于其固有的特点，在家用消费类产品（空调、冰箱、洗衣机）和IT周边产品（打印机、软驱、硬驱）中得到广泛的应用。它具有结构简单、高效、低噪声、高功率密度、启动扭矩大、寿命长等其它种类直流电机无法比拟的特性。我国是稀土大国，稀土永磁材料经过这几年的发展，已经有了一定的规模，质量和数据都有较大的提高，价格已不断下降，这将大大促进PMBLDC工业发展。可以预计21世纪PMBLDC将成为应用最广泛的电机，并可以取代传统直流电机和交流电机+变频调传统模式，成为10kW以下电机传动的主角。

永磁无刷直流电机性能的发挥，除电机本身的设计以外，还要靠驱动技术和实现这一驱动技术的驱动板来保证。驱动板是永磁无刷直流电机电机关键的一部分。它的性能将直接影响整个驱动系统的性能指标。随着电子产品向数字化方向的发展，MCU已大量应用。永磁无刷直流电机的驱动板又是连接上位控制MCU和电力电子变换器的桥梁：它接收上位机的命令，通过一定的控制方法，来达到预定的控制目标；同时把当前电机状态及一些基本参数返回给上位控制的MCU。由上述对PMBLDC驱动板应达到的功能可知，此类驱动板的核心器件应是带多路（6路以上）PWM输出的嵌入式微控制器。考虑到目前国内对INTEL MCS-51系列单片机的应用有了广泛基础，这里我们选用了完全采用8031核，价格低廉，最高时钟频率可达40MHz的Infineon C504嵌入式微控制器。

二、 C504的硬件驱动模式

C504在8031核的基础上，除了增加A/D转换等外围接口功能电路外，还增加了非常适合于电机控制的7路全数字PWM输出单元CCU（Capture/Compare Unit，捕捉比较单元）。CCU的功能框图如图1所示。当C504工作在硬件驱动模式时，cout3可以调制cc0,cout0,cc1,cout1,cc2,cout2上面，而且其输出的时序由INT0，INT1，INT2编码控制。

在图1中，左边的fosc/2是整个单元工作的时间基准；

CTRAP端可控制cc0-cout2输出端状态，处于CTRAP状态时cc0～cout2的状态可软件定义；

cc0-cout2端为3相6路16位PWM输出；

ccx和coutx（x=1,1,2）为互补信号，并且可以通过设置Offset Register的数值来控制其死区时间；

cout3是单路10 bit PWM输出端，而INT0～INT2是外部控制，通过INT0～INT2的编码来控制cc0～cout2的输出次序。

图2是C504使用在一台外转子的永磁无刷直流电机作为电动自行车的驱动电机时，工作在硬件模式下的电流波形。

这台样机现在已由杭州光阳机电技术有限公司投入生产。当用作电动车驱动的永磁无刷直流电机采用嵌入式微控制器控制时，可以方便地实现平稳启动等一系列普通模拟控制器所无法实现的功能。

三、 C504的软件驱动模式

C504除了提供硬件驱动模式外，另外还提供了可以任意组合PWM输出的软件驱动动模式，如图3所示。

所讲任意组合有两层含义：

1）制的电机的相数可以选择，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，这一点可以应用到PMBLDC的准正弦电流控制中。

图4是控制一台DCDD（DC Direct Drive）洗衣机的电流波形。从图中可以看出其电流波形已非常接近正弦，取得了良好的控制效果。

四、 结语

Infineon的嵌入式微控制器C504的CCU单元提高了非常适合于PMBLDC电机控制的功能，通过选择硬件和软件模式，可方便地达到所需要的控制目的；同时C504价格低廉，抗干扰性强，非常适合作为一个控制芯片，嵌入到类似驱动板这样的功率变换器与计算机之间的中间部件。目前，我们正在采用C504作为多轴控制系统的底层嵌入式控制芯片，准备在数控机械，印刷等行业上应用。