一款32位MCU定時(shí)器設(shè)計(jì)及在無刷直流電機(jī)控制中的應(yīng)用*

劉夢(mèng)影，朱仁龍，史興強(qiáng)，劉云晶

（中科芯集成電路有限公司，江蘇無錫 214072）

1 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展，智能家居、工業(yè)自動(dòng)化和物流自動(dòng)化等概念逐步普及深化，在家電領(lǐng)域、車載領(lǐng)域以及工業(yè)領(lǐng)域，各類電機(jī)在技術(shù)方面都出現(xiàn)了新的需求[1]。電器的智能化需要電器對(duì)于人機(jī)交流產(chǎn)生更快、更精準(zhǔn)的反饋，這對(duì)于電機(jī)控制系統(tǒng)中各類傳感器和算法處理能力有更嚴(yán)格的要求；智能化汽車的概念促生了電動(dòng)后視鏡、電動(dòng)座椅、多風(fēng)口可控自動(dòng)變頻空調(diào)等概念，新增的功能和需求帶來了更高的成本壓力，同時(shí)對(duì)于電機(jī)控制系統(tǒng)提出了更復(fù)雜的要求。

電機(jī)控制技術(shù)作為智能家居、工業(yè)自動(dòng)化和物流自動(dòng)化控制過程中的核心技術(shù)，已得到了廣泛的關(guān)注和研究。隨著科技的發(fā)展，電機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中的重點(diǎn)已經(jīng)開始從過去簡(jiǎn)單的傳動(dòng)向復(fù)雜的控制轉(zhuǎn)移，尤其是對(duì)電機(jī)的速度、位置和轉(zhuǎn)矩的精準(zhǔn)控制。常用的控制電機(jī)有伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、力矩電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)和無刷直流電機(jī)等幾類。伺服電機(jī)廣泛應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)中，能將輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電機(jī)軸上的機(jī)械輸出量，拖動(dòng)被控對(duì)象，從而達(dá)到控制目的，當(dāng)前隨著永磁同步電機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，絕大部分的伺服電機(jī)是指交流永磁同步伺服電機(jī)或者無刷直流電機(jī)；步進(jìn)電機(jī)是一種開環(huán)控制電機(jī)，其轉(zhuǎn)速和停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，可移植性較差且難以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，控制精度低[2]；力矩電機(jī)是一種扁平型多極永磁直流電機(jī)，可以在電動(dòng)機(jī)低速升值堵轉(zhuǎn)時(shí)仍能持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)；開關(guān)磁阻電機(jī)是一種新型調(diào)速電機(jī)，結(jié)構(gòu)極其簡(jiǎn)單，調(diào)速性能優(yōu)異，但存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、運(yùn)行噪聲和振動(dòng)大等問題；無刷直流電機(jī)是在有刷直流電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，相對(duì)于電機(jī)超過200年的發(fā)展歷史，無刷直流電機(jī)發(fā)展至今只有五十多年，其不僅繼承了傳統(tǒng)直流電機(jī)優(yōu)異的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性，而且還具有調(diào)速范圍廣、無轉(zhuǎn)子損耗、高功率密度等良好的特性，目前已廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、航空航天、工業(yè)自動(dòng)化等多個(gè)領(lǐng)域[3-4]。

無刷直流電機(jī)系統(tǒng)的搭建，需要考慮的問題就是主控芯片的選型。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展和電機(jī)控制專用芯片的推出以及價(jià)格的下降，現(xiàn)代電機(jī)控制系統(tǒng)較多地選用具有完善電機(jī)控制接口的專用MCU芯片。MCU是集成了微處理器、存儲(chǔ)元件與各類周邊接口甚至LCD驅(qū)動(dòng)電路的單片微型計(jì)算機(jī)，例如意法半導(dǎo)體的STM32系列芯片[5]。在IC產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中，MCU與我們的日常生活息息相關(guān)，重要性也日益突出，常用于智能儀器、工業(yè)控制、家用電器、網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備、汽車電子等領(lǐng)域。MCU憑借超高的性價(jià)比而備受關(guān)注，其具有面積小、重量小、抗干擾、價(jià)格低、高靈活性和易開發(fā)性等特點(diǎn)[6]，得到了廣泛的應(yīng)用和快速的發(fā)展。采用電機(jī)專用的MCU芯片可以有效地減小電機(jī)控制器的面積，近年來專用MCU技術(shù)的發(fā)展為無刷直流電機(jī)的專用控制提供了強(qiáng)有力的基礎(chǔ)[7]。魏再平[8]利用STM32芯片的高性能和靈活的配置，研制了一種應(yīng)用于電動(dòng)摩托車上的低壓大功率低成本的無刷直流電機(jī)控制器，提高了系統(tǒng)的可靠性及維護(hù)性。高文武[9]以STM32F103RBT為核心硬件平臺(tái)，設(shè)計(jì)了三相全橋逆變電路、功率管自舉驅(qū)動(dòng)電路、恒轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)電路、過流保護(hù)電路、過壓欠壓保護(hù)電路等電路，實(shí)現(xiàn)了快速平穩(wěn)啟動(dòng)的無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可即時(shí)保護(hù)電機(jī)和控制板。李克靖等[10]使用STM32F103C6T6作為主控芯片，設(shè)計(jì)了功率管驅(qū)動(dòng)、母線電流采樣、過流保護(hù)等電路，并加入電角度補(bǔ)償優(yōu)化，大幅度降低換相電流波動(dòng)，減弱電機(jī)噪聲，使該電控系統(tǒng)能夠長時(shí)間安全可靠地運(yùn)行。從發(fā)展趨勢(shì)來看，專用MCU代表了無刷直流電機(jī)控制器的發(fā)展方向。

目前自主研制的MCU產(chǎn)品CKS32系列已廣泛應(yīng)用于電機(jī)方案，其產(chǎn)品系列已覆蓋了主流型、高性能、通用性等應(yīng)用。CKS32F0系列芯片可應(yīng)用于直流無刷電機(jī)的入門級(jí)應(yīng)用方案；滿足主流應(yīng)用的CKS32F1可用于伺服電機(jī)、變頻器和無人機(jī)等應(yīng)用；滿足高端應(yīng)用的CKS32F4，全方位覆蓋從工業(yè)控制到可穿戴、傳感器融合應(yīng)用等。

本文主要介紹了CSK32系列MCU芯片定時(shí)器的分類和功能，及其在電機(jī)控制領(lǐng)域的應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)。

2 定時(shí)器設(shè)計(jì)

CKS32系列MCU芯片擁有眾多定時(shí)器，大致分為核內(nèi)定時(shí)器和外設(shè)定時(shí)器。核內(nèi)定時(shí)器有系統(tǒng)滴答定時(shí)器，外設(shè)定時(shí)器包含特定應(yīng)用定時(shí)器和常規(guī)定時(shí)器。其中低功耗定時(shí)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、看門狗以及高精度定時(shí)器屬于特定應(yīng)用定時(shí)器；基本定時(shí)器、通用定時(shí)器以及高級(jí)定時(shí)器則屬于常規(guī)定時(shí)器。

基本定時(shí)器常用作時(shí)基，實(shí)現(xiàn)基本的計(jì)數(shù)和定時(shí)功能。通用定時(shí)器除了基本的定時(shí)功能以外，還具有輸入捕獲、輸出比較以及生成PWM的功能，可用于觸發(fā)其他外設(shè)定期采集或收發(fā)信號(hào)，或?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單的呼吸燈、蜂鳴器等應(yīng)用。高級(jí)定時(shí)器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)通用定時(shí)器的功能，還具有輸出互補(bǔ)帶死區(qū)信號(hào)以及剎車等功能，其常用于電機(jī)控制和數(shù)字電源管理等。

2.1 高級(jí)定時(shí)器功能概述

高級(jí)定時(shí)器具有向上、向下和中心計(jì)數(shù)自動(dòng)重載計(jì)數(shù)器，可編程預(yù)分頻器，擁有4個(gè)獨(dú)立的通道分別實(shí)現(xiàn)輸入捕獲、輸出比較、PWM生成以及單脈沖模式輸出功能。高級(jí)定時(shí)器可使用外部信號(hào)控制定時(shí)器和定時(shí)器互連的同步電路，支持針對(duì)定位的正交編碼器和霍爾傳感器電路。不同于通用定時(shí)器，高級(jí)定時(shí)器還具有死區(qū)時(shí)間可編程的互補(bǔ)PWM輸出功能。根據(jù)上述功能，通用定時(shí)器可分為6個(gè)功能單元，分別為從模式控制單元、時(shí)基單元、輸入單元、比較輸出單元、觸發(fā)輸出單元和捕捉比較單元。設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 通用定時(shí)器設(shè)計(jì)框圖

從模式控制單元負(fù)責(zé)時(shí)鐘源和觸發(fā)信號(hào)源的選擇，同時(shí)控制計(jì)數(shù)器的起停、復(fù)位和門控等；時(shí)基單元為定時(shí)器的核心單元，負(fù)責(zé)時(shí)鐘源的分頻、計(jì)數(shù)和溢出重裝等；輸入單元?jiǎng)t為部分時(shí)鐘信號(hào)、捕捉信號(hào)以及觸發(fā)信號(hào)等提供信號(hào)源；比較輸出單元通過對(duì)比較寄存器與計(jì)數(shù)器的數(shù)值匹配比較，實(shí)現(xiàn)不同輸出波形；觸發(fā)輸出單元輸出觸發(fā)信號(hào)給其他定時(shí)器或外設(shè)，觸發(fā)信號(hào)包括了更新事件、觸發(fā)事件、輸入捕獲、輸出比較、剎車信號(hào)輸入以及COM換相事件；捕捉比較單元是輸入捕捉或比較輸出的公共執(zhí)行單元。

2.2 PWM設(shè)計(jì)

高級(jí)定時(shí)器輸出PWM作為無刷直流電機(jī)控制中的重要控制源，也是高級(jí)定時(shí)器的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。PWM的頻率由TIM_ARR寄存器確定，占空比由TIM_CCR寄存器確定，而PWM模式則根據(jù)寄存器TIM_CCMR和TIM_CR1的配置確定，插入的死區(qū)時(shí)長則由TIM_BDTR寄存器配置的值而定（見表1）。

表1 PWM相關(guān)寄存器

圖2清晰地畫出了PWM的設(shè)計(jì)原理，其中TIM_CLK為TIM的工作時(shí)間，以此時(shí)間為計(jì)數(shù)周期，CNT從0開始計(jì)數(shù)，且PWM變化為高電平，當(dāng)CNT計(jì)數(shù)至CCR配置的數(shù)值，PWM變?yōu)榈碗娖剑?jì)數(shù)器繼續(xù)計(jì)數(shù)至ARR配置的數(shù)值，PWM變?yōu)楦唠娖剑?jì)數(shù)器重新由0開始計(jì)數(shù)。以此來產(chǎn)生固定占空比和周期的PWM。

圖2 PWM設(shè)計(jì)波形

帶死區(qū)的PWM（見圖3）是以PWM_REF為基準(zhǔn)信號(hào)，通過DT_CNT計(jì)數(shù)器插入相應(yīng)時(shí)間的死區(qū)。

圖3 帶死區(qū)的互補(bǔ)PWM設(shè)計(jì)波形

值得一提的是，僅高級(jí)定時(shí)器能夠?qū)崿F(xiàn)的COM換相事件是專為電機(jī)控制設(shè)計(jì)的，用于同時(shí)控制所有通道的輸出轉(zhuǎn)化。在電機(jī)控制中同時(shí)轉(zhuǎn)換所有PWM的輸出是十分常見的應(yīng)用。無刷直流電機(jī)換向時(shí)，通常三相同時(shí)換向，意味著同一時(shí)刻6路PWM同時(shí)變化。運(yùn)用COM換相事件可實(shí)現(xiàn)同時(shí)換向的功能（如圖4所示），其中PWMx′為PWMx的互補(bǔ)信號(hào)。根據(jù)應(yīng)用需要，預(yù)先設(shè)置好每相的換相參數(shù)（配置影子寄存器），然后通過軟件配置相應(yīng)的寄存器調(diào)用高級(jí)定時(shí)器發(fā)生COM換相事件，此時(shí)預(yù)先配置好的換相參數(shù)會(huì)自動(dòng)載入有效寄存器內(nèi)，下個(gè)時(shí)刻6路PWM同時(shí)變化。

圖4 COM換相事件觸發(fā)PWM變化

3 MCU定時(shí)器在無刷直流電機(jī)控制中的應(yīng)用

3.1 無刷直流電機(jī)控制硬件設(shè)計(jì)

無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖5所示[11-12]。該電路主要包括三相全橋驅(qū)動(dòng)電路、位置檢測(cè)電路、過流保護(hù)電路、調(diào)速電路、欠壓和過壓保護(hù)電路。首先電源模塊為三相全橋驅(qū)動(dòng)電路提供直流電壓，MCU接收到由霍爾傳感器產(chǎn)生、經(jīng)過信號(hào)調(diào)節(jié)電路后的位置信號(hào)以及轉(zhuǎn)速設(shè)定信號(hào)，經(jīng)處理后的信號(hào)轉(zhuǎn)化為換相信號(hào)，隨后MCU輸出PWM信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路讓三相全橋驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行換相工作，輸出三相交流電驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)，進(jìn)而完成整個(gè)電機(jī)的控制運(yùn)行。

圖5 BLDCM控制系統(tǒng)

三相全橋驅(qū)動(dòng)電路是目前常用的一種驅(qū)動(dòng)電路，采用該電路的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，可以減少電流波動(dòng)和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，使得電機(jī)輸出較大的轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)調(diào)速穩(wěn)定便捷[13]。三相全橋驅(qū)動(dòng)主回路由6個(gè)N溝道MOS管組成，如圖6所示，驅(qū)動(dòng)橋分為上橋臂和下橋臂Q1～Q6，上下對(duì)應(yīng)2個(gè)橋控制三相電機(jī)的一相[14]，2個(gè)來自MCU定時(shí)器模塊的輸入信號(hào)控制橋臂的開與關(guān)，例如Q1和Q2控制A相，PWM1_H和PWM1_L分別控制上橋臂Q1和下橋臂Q2的開關(guān)狀態(tài)。

圖6 無刷直流電機(jī)PWM脈寬調(diào)速電路

MCU在無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中起到了至關(guān)重要的控制作用，作為該系統(tǒng)的主控芯片，MCU具備同時(shí)執(zhí)行多個(gè)不同功能的能力，如開關(guān)管的通斷控制[9]、電流檢測(cè)、位置檢測(cè)、算法處理等。中科芯研制的CKS32F030C8T6型號(hào)MCU芯片采用CortexM0內(nèi)核，其處理功能優(yōu)異，與優(yōu)化的Flash緊密結(jié)合，具有豐富的外部接口，因此僅需少量外設(shè)即可滿足電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要。CKS32F030C8T6自帶多路12位AD轉(zhuǎn)換器，可直接采集多個(gè)電壓信號(hào)，通過與限定電壓值進(jìn)行比較，從而實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)以及欠壓和過壓保護(hù)等功能。此外，CKS32F030C8T6芯片自帶溫度傳感器，可直接采集溫度信號(hào)，根據(jù)所采集的溫度信號(hào)調(diào)整轉(zhuǎn)速，該功能可以在惡劣的環(huán)境中保護(hù)電機(jī)。不僅如此，它還擁有多個(gè)定時(shí)器，包括基本定時(shí)器、通用定時(shí)器和高級(jí)定時(shí)器，其中用于控制電機(jī)的高級(jí)定時(shí)器可以輸出6路PWM，因此，該MCU芯片可以全方面滿足電機(jī)控制需求。

6路PWM控制三相全橋驅(qū)動(dòng)電路中6個(gè)MOS管的通斷。電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著繞組線圈的電流增大而增大[15]。因此，增大PWM的占空比，延長電機(jī)做功時(shí)間，電機(jī)轉(zhuǎn)速就會(huì)增大。

在圖6所示的三相全橋驅(qū)動(dòng)電路中，受PWM調(diào)制的MOS管處于PWM的關(guān)斷電平時(shí)將同橋臂的下管打開。這就要求上下橋臂的MOS管做互補(bǔ)對(duì)稱輸出。然而在實(shí)際電路中，MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷都有一定的延遲時(shí)間，可能存在上下橋臂同時(shí)進(jìn)行導(dǎo)通和關(guān)斷操作的情況，這就會(huì)造成橋臂短路或近乎短路，因此在MOS管通斷過程中需植入死區(qū)時(shí)間。

3.2 定時(shí)器PWM應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

無刷直流電機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)的搭建所需設(shè)備包括控制系統(tǒng)（見圖7）、無刷直流電機(jī)、電機(jī)加載測(cè)試系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、J-LINK仿真器和示波器等。試驗(yàn)所用電機(jī)參數(shù)如下：額定電壓為24 V，額定功率為100 W，額定轉(zhuǎn)速為2500 r/min，極對(duì)數(shù)為4，試驗(yàn)時(shí)電機(jī)僅進(jìn)行空載運(yùn)行。

圖7 BLDC控制系統(tǒng)實(shí)物圖

當(dāng)電機(jī)上電正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為300 r/min，MCU根據(jù)換相信號(hào)輸出PWM波。由于示波器通道限制，圖8中給出了3路PWM信號(hào)，通道1為上橋臂PWM1_H控制，通道2為上橋臂PWM2_H控制，通道3為上橋臂PWM3_H控制。圖9給出了2路互補(bǔ)帶死區(qū)時(shí)間的PWM波形，PWM1_H和PWM1_L。此時(shí)PWM的頻率設(shè)置為16 kHz，占空比為45%，插入死區(qū)時(shí)間為3.125μs（見圖10）。PWM的頻率實(shí)測(cè)值為15.68 kHz，占空比實(shí)測(cè)為45.1%，死區(qū)實(shí)測(cè)時(shí)間為3.20μs。

圖8 MCU輸出3路PWM波形

圖9 2路互補(bǔ)帶死區(qū)PWM波形

圖10 插入死區(qū)的PWM波形

4 結(jié)論與展望

無刷直流電動(dòng)機(jī)是伴隨著新興電子技術(shù)的發(fā)展而誕生的新型一體化電機(jī)，它綜合了電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、電機(jī)技術(shù)以及控制理論等多個(gè)學(xué)科的前沿理論知識(shí)。本文主要設(shè)計(jì)了一款CSK32F030C8T6型號(hào)MCU中的高級(jí)定時(shí)器，該MCU作為無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中的主控芯片，具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易、成本低、便于應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，其性能參數(shù)也符合理論值。