恩智浦LPC1100微控制器在無刷直流電機中的應(yīng)用研究

無刷直流和無刷交流等先進的電機控制技術(shù)已廣泛用于各種工業(yè)應(yīng)用之中，這種技術(shù)與通用交流電機控制技術(shù)相比具有多種優(yōu)勢：效率更高、耐用性更佳、電機成本更低。另一方面，用于驅(qū)動電機的電子組件變得日益復(fù)雜，結(jié)果提高了系統(tǒng)總成本。

白電市場作為價格驅(qū)動特征十分明顯的細分市場，在洗衣機、洗碗機等家電中應(yīng)用“新型”電機控制方式顯得尤為謹慎。目前，廣為人知的傳統(tǒng)控制仍是市場的首選，但是近幾年來，尤其是在半導(dǎo)體價格逐年下降的背景下，該市場所使用的技術(shù)已悄然發(fā)生變化。

恩智浦作為一家工業(yè)應(yīng)用半導(dǎo)體供應(yīng)商，其產(chǎn)品覆蓋面十分廣泛，包括通用應(yīng)用產(chǎn)品（整流器、齊納二極管等）、邏輯和電源產(chǎn)品（雙向可控硅、電源IC）以及接口和微控制器產(chǎn)品等。

如今，無刷直流電機（BLDC）已取代傳統(tǒng)的有刷直流（BDC）電機，廣泛用于各種應(yīng)用之中。

無刷直流電機不但在效率和可靠性方面有上佳表現(xiàn)，而且擁有更低的噪聲、更輕的重量和更長的使用壽命，還消除了換向器火花，減少了總體電磁輻射，因而在白電、暖通空調(diào)及工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域日益受到追捧。

與多數(shù)電機控制相同，無刷直流電機控制器由控制單元和電源單元構(gòu)成，恩智浦同時為這兩個單元提供極具競爭力的解決方案。本文將重點討論恩智浦針對功率300W、電壓12-30V的無刷直流電機開發(fā)的演示板。轉(zhuǎn)子定向反饋利用霍爾傳感器確定，并通過個人電腦采用CAN或UART方式與外界相連。

圖1

Cortex-M0內(nèi)核是ARM在2009年發(fā)布的最新內(nèi)核之一，也是市場上體積最小、功耗最低、最節(jié)能的ARM處理器，能夠以8位產(chǎn)品的價格實現(xiàn)32位產(chǎn)品的性能，為從8位架構(gòu)跳過16位架構(gòu)、直接移植到32位架構(gòu)創(chuàng)造了可能。

ARM Cortex-M0內(nèi)核基于ARMv6-M架構(gòu)，采用包含Thumb-2技術(shù)的所謂Thumb指令集。

Thumb指令集可以基于16位指令實現(xiàn)32位運算，因而為減小代碼大小提供了可能。

Thumb ISA（指令集架構(gòu)）僅包括56條指令，每條指令均保證執(zhí)行時間。從這個角度來看，Cortex-M0可提供完全可以確定的響應(yīng)時間。由于采用的是32位架構(gòu)，因此，即使是16位指令，也可以用一條指令實現(xiàn)8位、16位或32位數(shù)據(jù)傳輸。

至于編程模型，Cortex-M0采用的是由13個通用寄存器（r0-r7 低寄存器和r8-r12 高寄存器）、3個特殊寄存器（堆棧指針、鏈接寄存器和程序計數(shù)器）和1個器件狀態(tài)指示寄存器（xPSR，程序狀態(tài)寄存器）構(gòu)成的寄存器集，如下圖所示。

圖2

如前所述，所有指令均在固定時間內(nèi)執(zhí)行完畢。例如，數(shù)據(jù)處理指令在一個周期內(nèi)完成，數(shù)據(jù)傳輸指令在兩個周期內(nèi)完成，分支指令（branch）則在三個周期內(nèi)完成。

除內(nèi)核以外，Cortex-M0集成了一個可以處理中斷和系統(tǒng)異常的嵌套向量中斷控制器（NVIC）。Cortex-M0內(nèi)核具有完全確定的中斷處理行為，默認值為16個周期，無抖動。NVIC最多能處理32個優(yōu)先矢量。與Cortex-M3架構(gòu)相同，這種架構(gòu)支持尾鏈中斷（Tail chaining）和后到（Late arriving）中斷。

2009年，恩智浦半導(dǎo)體發(fā)布了LPC1100家族中的第一款產(chǎn)品，也是首款基于Cortex-M0內(nèi)核的微控制器系列產(chǎn)品。

據(jù)Dhrystone測量結(jié)果，LPC1100系列可以提供0.9 DMIPS/MHz的運算能力。

根據(jù)基于嵌入式器件真實性能的Coremark （http://www.coremark.org）基準測試，恩智浦LPC1100系列取得了1.4 Coremark/MHz的高分，遠遠超過8位和16位產(chǎn)品市場的同類產(chǎn)品。與此同時，減小的代碼尺寸還可以給用戶帶來性能上的提升。得益于Cortex-M0架構(gòu)，開發(fā)員平均可以節(jié)省40%左右的閃存利用空間。

由于極低的門數(shù)，基于Cortex-M0的器件可應(yīng)用于低功耗應(yīng)用之中，比如醫(yī)療設(shè)備、電子計量儀器、電機控制、電池供電型傳感器等。ARM出品的Cortex-M系列處理器可支持多種功耗模式：睡眠模式、深度睡眠模式和省電模式。

LPC1100系列最高支持50 MHz的時鐘速率，屬于零延遲架構(gòu)，集成簡單的AHB-Lite接口?？驁D如下所示：

圖3

LPC111x集成了工業(yè)、消費、白電應(yīng)用中嵌入式控制系統(tǒng)所需要的全部外設(shè)。閃存容量最高達32KB，價格65美分/片起（適用采用8K閃存的器件）。

針對無刷直流電機控制需要，LPC1100系列產(chǎn)品集成4個計時器（16位和32位各2個），共有13個匹配輸出，每個匹配輸出都可配置為PWM模式。其中6個PWM信號在演示板中用于驅(qū)動MOSFET的高、低端。

LPC1100上的通用輸入/輸出（GPIO）具有較高的可配置特性，可用作在上升沿和下降沿激活或者兩個沿同時激活的外部中斷。轉(zhuǎn)子定向反饋通過這些GPIO中斷獲取。

圖4

LPC1100擁有一個8通道10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），其中一個通道用作過流保護，其方法是通過一個分流電阻測量電機電流。

不用傳感器，通過在無刷直流電機換向過程中測量浮動相位電壓，偵測轉(zhuǎn)子位置。這要求在獲取浮動相位電壓時精確計時。在LPC1100中，模數(shù)轉(zhuǎn)換可通過四個計時器中兩個計時器的匹配事件來觸發(fā)。這樣可以減少CPU負荷，并在適當時刻精確捕捉浮動相位。

為了與外界相連，LPC1100集成了UART和/或CAN接口。

為了進一步支持無刷直流電機，恩智浦標準產(chǎn)品事業(yè)部于2009年推出了采用Trench技術(shù)的新一代（第六代）Mosfet，為工業(yè)部門提供了電機控制等多種應(yīng)用支持。新型Trench 6 Mosfet產(chǎn)品具有以下優(yōu)勢：降低了低導(dǎo)通電阻RDS（ON）器件的Rspec - mΩ / mm2值，為快速開關(guān)創(chuàng)造了條件；降低了柵極電荷和開關(guān)損耗；低QG（tot）和低FOM，最大限度地提高了效率；將Tj（最大）提升至175C，為高可靠和高性能應(yīng)用提供了大力支持。不斷擴大的產(chǎn)品組合將為電機控制應(yīng)用提供完美支撐。

今后，我們的Cortex-M產(chǎn)品研發(fā)將支持無刷直流電機的磁場定向控制和U/f控制。這是我們微控制器系列研發(fā)理念的延續(xù)，我們一貫基于ARM7、Cortex-M0、Cortex-M3、新型Cortex-M4等架構(gòu)提供相似的外設(shè)IP、軟件兼容支持和輕松移植能力，彰顯了我們對這種理念的傳承。

這種策略不但使我們能夠針對不同電機控制方法在CPU性能和必要外設(shè)之間取得最佳平衡，而且能夠在各種項目中實現(xiàn)工具和軟件的循環(huán)利用（例如，為Cortex-M0編寫的軟件模塊可以在Cortex-M3/M4微控制器中重復(fù)利用）。如此一來，我們的客戶不但可以大幅縮短上市時間，還能最大限度地減少工具投資（相同的IDE、調(diào)試和編程工具）。

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