使用Microchip MCC + PIC16F161x CIP快速開發(fā)基于單相BLDC電機(jī)的風(fēng)扇

引言

無刷直流（BLDC）風(fēng)扇由于效率高，成本低，結(jié)構(gòu)簡單，壽命長的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于空氣循環(huán)和空氣冷卻的應(yīng)用中，如PC散熱風(fēng)扇，汽車座椅通風(fēng)風(fēng)扇。

單相BLDC電機(jī)風(fēng)扇的特點(diǎn)：

無刷直流（BLDC）電機(jī)是一種正在快速普及的電機(jī)類型，在家用電器、汽車、消費(fèi)品、醫(yī)療、工業(yè)等行業(yè)中有大量應(yīng)用。

BLDC沒有電刷，使用電子換向。與有刷直流電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)相比，有以下優(yōu)點(diǎn)：

更好的轉(zhuǎn)矩特性，高效率，使用壽命長，結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)動(dòng)噪音低，轉(zhuǎn)速范圍更高

同時(shí)相對的，BLDC控制較復(fù)雜，需要較高的芯片資源。

根據(jù)BLDC轉(zhuǎn)子繞組數(shù)量的不同，可以分為單相，兩相和三相。其中單相BLDC是汽車座椅通風(fēng)風(fēng)扇的主要選擇。此類電機(jī)構(gòu)造制造簡單，驅(qū)動(dòng)方便，成本低廉，壽命長。

快速開發(fā)單相BLDC電機(jī)風(fēng)扇應(yīng)用：

單相BLDC電機(jī)通常需要以下系統(tǒng)架構(gòu)：

由于控制電路功耗較小，一般選擇高輸入電壓的LDO進(jìn)行供電；電機(jī)使用H橋進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；視電機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)的MOS開關(guān)頻率選擇柵極驅(qū)動(dòng)；在電機(jī)母線上加電流和電壓檢測，防止過流和過壓；使用霍爾器件測量電機(jī)轉(zhuǎn)速和檢測電機(jī)換向；根據(jù)產(chǎn)品要求外加通信接口和調(diào)速接口（PWM或電位器）；MCU需要能夠輸出2對互補(bǔ)PWM，ADC輸入，信號(hào)頻率占空比測量模塊，PID模塊，視產(chǎn)品需求選擇通信接口，通常為LIN或者CAN總線。

單相BLDC控制框圖

單相BLDC電機(jī)核心控制原理，使用兩對互補(bǔ)PWM控制電機(jī)正反向轉(zhuǎn)動(dòng)：

Microchip作為致力于智能、互聯(lián)和安全的嵌入式控制解決方案的領(lǐng)先供應(yīng)商，產(chǎn)品序列中除了MCU/MPU微處理器，還有豐富的模擬/接口/存儲(chǔ)產(chǎn)品，可以滿足客戶在不同應(yīng)用的器件需求。

在單相BLDC電機(jī)應(yīng)用中，電源部分Microchip有MCP1790/1和MCP1792/3系列LDO可供選擇。MCP1790/1 Vinmax 30V，Iout 70mA，適用于12V系統(tǒng)；MCP1792/3 Vinmax 55V，Iout 100mA，適用于24V系統(tǒng)；以上LDO具有高電壓、低壓差、低靜態(tài)功耗的優(yōu)點(diǎn)，工作溫度高至150℃，并通過了AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)，適用于汽車應(yīng)用。

Gate Driver柵極驅(qū)動(dòng)部分，Microchip有高邊/低邊/半橋/H橋/三相橋驅(qū)動(dòng)和專用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。在單相BLDC電機(jī)應(yīng)用中常用的器件為MIC4605半橋驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電流為1A，適用于80V電壓以下單相BLDC電機(jī)應(yīng)用，同樣通過了AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)。此外在一些功率比較小的電機(jī)應(yīng)用中，由于電機(jī)功率小轉(zhuǎn)速不高，H橋的功率器件不需要較大驅(qū)動(dòng)電流，可由MCU IO直接驅(qū)動(dòng)，節(jié)約成本。

OP運(yùn)算放大器部分，Microchip有著豐富的運(yùn)放產(chǎn)品，包括通用運(yùn)放/零漂移運(yùn)放/儀表放大器。在電機(jī)應(yīng)用中，Microchip的MCP6001/2系列有著很強(qiáng)的通用性。1MHz的GBWP，4.5mV Vosmax，Ib 1pA，Rail To

Rail輸入輸出，SC-70/SOT-23的參數(shù)讓它適用于很多模擬信號(hào)處理應(yīng)用。在擁有不錯(cuò)性能的基礎(chǔ)上它的價(jià)格同樣不錯(cuò)，因此得到了大量應(yīng)用。在電機(jī)應(yīng)用中如果對于電流/電壓采集要求精度不高，同時(shí)MCU集成了運(yùn)放/ADC，也可考慮使用MCU內(nèi)部模擬外設(shè)采集模擬信號(hào)。

通信接口部分，Microchip是CAN/LIN收發(fā)器市場的頭部半導(dǎo)體廠商，有著齊全的CAN/LIN總線產(chǎn)品。CAN總線部分，有CAN（FD）控制器，CAN（FD）收發(fā)器。其中ATA6560/1和MCP2561/2 CAN收發(fā)器分別適用于12V/24V系統(tǒng)；ATA6563收發(fā)器符合功能安全ASIL B；MCP2518FD CAN控制器適用于MCU 需要外擴(kuò)CAN口的場合；MCP25625是市場上少見的集成了CAN收發(fā)器和控制器SPI轉(zhuǎn)CAN器件，集成度高，節(jié)約空間。LIN總線部分，有獨(dú)立LIN收發(fā)器、集成LDO/Reset/WDT/LIN 收發(fā)器，有多個(gè)型號(hào)可控選擇。其中ATA663454 符合功能安全ASIL B，適合有相關(guān)需求的汽車應(yīng)用。

Microchip整體解決方案（Microchip擁有框圖中所標(biāo)大部分產(chǎn)品）

PIC16F161x CIP介紹

PIC16F161x系列屬于Microchip中等性能8位機(jī)，擁有豐富的資源。特別是有Microchip特色的獨(dú)立于內(nèi)核外設(shè)（CIP），可以通過軟件配置，自由組合內(nèi)部外設(shè)，以滿足不同的應(yīng)用。CIP可以減少內(nèi)核干預(yù)，提升MCU性能，減少產(chǎn)品功耗。

Microchip 8bitMCU部分CIP模塊

PIC16F161x系列用于電機(jī)應(yīng)用的關(guān)鍵外設(shè)

CWG

CWG為互補(bǔ)波形發(fā)生器，可與PWM模塊配合產(chǎn)生全橋、半橋或轉(zhuǎn)向PWM波形。當(dāng)配置為全橋或半橋模式時(shí)，可輸出帶上升沿和下降沿死區(qū)控制的互補(bǔ)波形。適合用作H橋驅(qū)動(dòng)控制。此外CWG還帶有關(guān)斷源，可由內(nèi)部外設(shè)模塊如比較器輸出或外部引腳輸入控制關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)保護(hù)功能。

CWG全橋模式框圖

SMT

SMT為信號(hào)測量定時(shí)器。是一個(gè)具有高級時(shí)鐘和門控邏輯的24位計(jì)數(shù)器，可以用來測量各種數(shù)字信號(hào)參數(shù)。例如脈沖寬度、頻率和占空比。在單相BLDC應(yīng)用中可以用作測量霍爾輸入信號(hào)的頻率，計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速；還可以測量外部PWM信號(hào)的頻率和占空比，解析調(diào)速命令。

SMT框圖

Math Accelerator

Math Accelerator為數(shù)學(xué)加速器，它可以用作PID控制器。用來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的誤差。

Math ACC框圖

根據(jù)以上特點(diǎn)，開發(fā)使用外部PWM輸入占空比控制轉(zhuǎn)速的散熱風(fēng)扇

PIC161x單相BLDC電機(jī)風(fēng)扇方案框圖

控制邏輯

使用MCC進(jìn)行快速配置

MCC（MPLAB Code Configurator）為Microchip MCU開發(fā)環(huán)境MPLABX IDE的圖形化配置工具，以插件的形式集成在IDE中。可以直觀配置外設(shè)資源，引腳定義，一鍵生成外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序。能夠簡化開發(fā)流程，免于頻繁查閱數(shù)據(jù)手冊寄存器，讓工程師進(jìn)行快速軟件開發(fā)。

一些關(guān)鍵模塊配置：

CWG

Math ACC

SMT

軟件控制策略

使用兩個(gè)反饋環(huán)路。內(nèi)部環(huán)路負(fù)責(zé)電機(jī)電子換向控制，外部環(huán)路負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)速控制和校正。有轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)和故障檢測。

轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)

轉(zhuǎn)速集準(zhǔn)由外部PWM設(shè)定。占空比決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)速，占空比越高，電機(jī)轉(zhuǎn)速越快。

外部環(huán)路

外部環(huán)路提供電機(jī)轉(zhuǎn)速的測量和控制。控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的是在不同條件下（例如母線電壓、負(fù)載需求變化、干擾和溫度漂移），將電機(jī)轉(zhuǎn)速維持在需要的值。進(jìn)行必要的轉(zhuǎn)速校正，以維持需要的值，從而決定電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速 。

內(nèi)部環(huán)路

要讓轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，必須有定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場。單個(gè)繞組進(jìn)行電勵(lì)磁，以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。要提供連續(xù)的旋轉(zhuǎn)，并防止永磁轉(zhuǎn)子與定子卡死，定子繞組上的勵(lì)磁必須按照特定方式排序，同時(shí)要知道轉(zhuǎn)子磁鐵的準(zhǔn)確位置。轉(zhuǎn)子磁鐵位置通過使用霍爾效應(yīng)傳感器來確定 。

控制策略圖

最終傳感器和驅(qū)動(dòng)時(shí)序圖如下

風(fēng)扇演示

使用Microchip Curiosity（DM164137）作為PWM發(fā)生器，控制風(fēng)扇。

總結(jié)

PIC161x系列擁有適用于單相BLDC的CWG、Math ACC、SMT等CIP資源，使用MCC可以根據(jù)實(shí)際需求，快速完成單相BLDC電機(jī)風(fēng)扇應(yīng)用開發(fā)。如有PC或服務(wù)器散熱風(fēng)扇，汽車空調(diào)座椅通風(fēng)風(fēng)扇等應(yīng)用需求，可參考Microchip AN2049、AN1779等應(yīng)用手冊，快速開發(fā)相關(guān)應(yīng)用。

作者：Tony Zhang ABIT