MCU如何實現(xiàn)高效BLDC電機(jī)控制

　　無刷直流電動機(jī)也稱為電子換向電動機(jī)，顧名思義，BLDC 也是直流供電的。主要特點是 BLDC 電機(jī)不使用電刷，而是電子換向。

　　BLDC 有一個帶有永磁體的轉(zhuǎn)子和一個帶有繞組的定子。它本質(zhì)上是一個內(nèi)外翻轉(zhuǎn)的直流電機(jī)。電刷和換向器已被取消，繞組連接到控制電子設(shè)備。控制電子設(shè)備取代換向器的功能，同時為適當(dāng)?shù)睦@組供電。

　　通過去除電刷和機(jī)械換向，我們消除了火花，這是 BLDC 電機(jī)的優(yōu)勢之一。BLDC 可能更清潔、更快、噪音更小、效率更高、更可靠，但確實需要電子控制。

　　本文討論了微控制器運行高效 BLDC 電機(jī)控制算法所需的主要特性，并介紹了 Kinetis 系列 MCU 如何實現(xiàn)這些特性（以及如何使用它們）。還提到了 Kinetis 技術(shù)進(jìn)行電機(jī)控制的理想應(yīng)用。

　　簡要介紹了電子電機(jī)控制，但建議了解 BLDC 電機(jī)控制的基本知識。

　　電子電機(jī)控制的好處

　　使用先進(jìn)的電機(jī)控制技術(shù)和三相無刷電機(jī)，與簡單或無控制的單相電機(jī)相比，為產(chǎn)品的最終應(yīng)用和支撐結(jié)構(gòu)提供了多種好處。無刷電機(jī)比有刷電機(jī)效率高得多，最明顯的原因是電刷在轉(zhuǎn)子上施加寄生扭矩（浪費的能量）。刷子的其他問題是：扭矩故障、可聽見的噪音、機(jī)械磨損。另一方面，可以控制無刷電機(jī)以獲得低噪音和平坦的扭矩響應(yīng)。沒有刷子也意味著更少的維護(hù)需求（刷子磨損并需要更換）。相同功率和尺寸空間的無刷電機(jī)也將比有刷電機(jī)運行得更快。

　　無刷電機(jī)還允許設(shè)計有刷電機(jī)難以或不切實際的電機(jī)外形，例如：“煎餅”電機(jī)，一種開始在洗衣機(jī)和泵中使用的扁平電機(jī)，以及帶有“外部”轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)子的永磁體位于定子繞組的外部而不是內(nèi)部）。

　　典型的 BLDC 電機(jī)控制系統(tǒng)

　　與任何控制系統(tǒng)一樣，典型的電機(jī)控制系統(tǒng)將包括一個控制或“輸出”部分和一個反饋或“輸入”部分。在典型的電機(jī)控制系統(tǒng)中，抽象表示如下。

　　圖 1：簡化的電機(jī)控制系統(tǒng)

　　基本要素是：

　　功率放大器（可以從單個電源開關(guān)到由 6 個功率晶體管制成的三相逆變器）。

　　每個感測變量的反饋：在電機(jī)控制系統(tǒng)中，最基本的反饋是速度（或位置，可以從中獲得速度）。速度/位置傳感器有多種形式。在 BLDC 系統(tǒng)中，最典型的傳感器是霍爾效應(yīng)傳感器，每個相位一個，這些傳感器用于確定轉(zhuǎn)子何時移動了一步，移動發(fā)生的時間段用于確定電機(jī)的速度。進(jìn)入電機(jī)的電流是另一個重要變量，在 DC 和 BLDC 電機(jī)中，電流與電機(jī)扭矩直接相關(guān)，在正弦電機(jī)中，它也與扭矩有關(guān)，但不是線性關(guān)系。在這些電機(jī)中，它也是一種重要的反饋方法，在磁場定向控制 （FOC） 技術(shù)中，它是一個基本變量。請注意，有一些方法可以在沒有傳感器的情況下估計轉(zhuǎn)子的位置，

　　速度和電流（扭矩）參考：這是定義預(yù)期輸出的用戶或系統(tǒng)輸入。這些可以是 HMI 中用戶的直接設(shè)置，也可以是來自另一臺計算機(jī)或系統(tǒng)通過串行通信鏈路的自動控制。

　　速度和電流控制器：在基于 MCU 的電機(jī)控制中，這些模塊通常由軟件組成。高級 DSP 控制器和帶有 DSP 協(xié)處理器的 MCU（例如 Kinetis MCU 中的 ARM? CortexTM-M4 內(nèi)核）可以幫助進(jìn)行執(zhí)行控制功能所需的數(shù)學(xué)計算。電機(jī)系統(tǒng)中最典型的控制形式是 PI（比例 - 積分）。通常不使用 PID 控制器，因為 D 項（導(dǎo)數(shù)）會使系統(tǒng)容易受到高頻噪聲的影響。D 項的優(yōu)點是提高對輸入快速變化的響應(yīng)，因為電機(jī)是緩慢的機(jī)械過程（與其他可控變量相反），并且電機(jī)緩慢啟動以避免電流峰值，適應(yīng)快速變化的優(yōu)勢確實沒有幫助。

　　BLDC電機(jī)控制系統(tǒng)

　　BLDC 電機(jī)控制是一個三相系統(tǒng)。圖 1 中的圖表需要更多細(xì)節(jié)來全面解釋 BLDC 電機(jī)控制系統(tǒng)。

　　圖 2：BLDC 控制框圖

　　請注意，這種塊級表示適用于有傳感器和無傳感器 BLDC 電機(jī)控制器。主要區(qū)別在于速度反饋和輸入部分。典型的傳感 BLDC 應(yīng)用將使用三個霍爾效應(yīng)傳感器作為速度/位置反饋，控制器只需要輸入引腳和一個定時器來檢測開關(guān)模式和開關(guān)周期。另一方面，無傳感器算法將測量在特定時刻未被驅(qū)動的電機(jī)相位產(chǎn)生的 BEMF（反電磁力）電壓，以測量該電壓的變化率并推斷電機(jī)基于該測量的速度。這需要一個 ADC 或模擬比較器和一個定時器，以及一些更復(fù)雜的代碼。在以下部分中，將討論 Kinetis MCU 的外設(shè)解決此問題的方式。

　　軟件組件

　　保持電機(jī)和控制器運行的軟件具有特定特性，在某些情況下，這些特性僅在控制系統(tǒng)中常見。下圖顯示了有傳感器和無傳感器 BLDC 電機(jī)控制系統(tǒng)中最重要的組件。

　　圖 3：傳感 BLDC 應(yīng)用中的典型軟件組件

　　從上圖中有幾點需要指出：

　　模擬輸入：模擬輸入需要足夠快的采樣速度，以便數(shù)據(jù)在采樣周期內(nèi)可用。這在無傳感器 BLDC 應(yīng)用中非常關(guān)鍵，在這些應(yīng)用中，至少每個 PWM 脈沖都需要可用數(shù)據(jù)來精確確定過零發(fā)生的時間。請注意下面的數(shù)字。第一個是通常用于測量 BLDC 電機(jī) BEMF 的信號的示波器屏幕截圖。可以注意到，由于 PWM 信號對其他相位的影響，信號是有噪聲的。信號需要在特定時刻進(jìn)行采樣，與 PWM 信號同步，使過零檢測信號準(zhǔn)確且可重復(fù)（如下圖所示）

　　圖 4：BEMF 信號和同步采樣窗口

　　PWM 信號換向：BLDC 電機(jī)控制中的一個重要過程是換向，打開和關(guān)閉正確的組合輸出以創(chuàng)建用于 BLDC 電機(jī)控制的 6 步換向序列。除了需要一個 6 輸出 PWM 模塊外，BLDC 電機(jī)控制系統(tǒng)還需要能夠打開和關(guān)閉 PWM 信號（用于換向）。因此，進(jìn)入電機(jī)的開關(guān)模式不會出現(xiàn)毛刺，開關(guān)不應(yīng)干擾或影響 PWM 信號（與換向模式異步）。周期性的毛刺會轉(zhuǎn)化為不均勻的扭矩甚至是可聽見的噪音。

　　數(shù)學(xué)運算：有幾個數(shù)學(xué)過程會定期發(fā)生。其中最密集的是 PI 控制器。為了保持一致的輸出，PWM 信號必須定期更新，它們的刷新率提高了控制的準(zhǔn)確性，這意味著如果 PI 控制器執(zhí)行得更頻繁，給定一個經(jīng)過適當(dāng)校準(zhǔn)和表征的系統(tǒng)，結(jié)果會好很多。求解 PI 控制器所需的操作通常是 CPU 密集型的，并且由幾個點積操作組成。這些操作在典型的 CPU 內(nèi)核中傳統(tǒng)上很慢，因此優(yōu)化算法和專門為數(shù)字信號控制和處理而設(shè)計的指令，例如一次執(zhí)行多個操作或從多個來源獲取數(shù)據(jù)，

　　延遲：上述過程不能在確切的時間或恰好在另一個之后發(fā)生。他們需要定時。在普通的 MCU 中，這會發(fā)生使用定時器，手動打開和關(guān)閉定時器。這種在每個控制周期同步定時器的過程加起來很長，當(dāng)達(dá)到最高速度并且切換發(fā)生在非?？斓闹芷跁r，它就成為一個特殊的問題。硬件輔助延遲和觸發(fā)器通過卸載 CPU 來提高電機(jī)控制器的效率。下圖突出顯示了一個例子。

　　圖 5：BEMF 信號和同步采樣窗口

　　圖 6：手動觸發(fā)

　　即使是一個簡化的例子，很明顯能夠自動觸發(fā) ADC 轉(zhuǎn)換會減輕 CPU 的負(fù)擔(dān)，否則可能會影響整個應(yīng)用程序的性能（例如，能夠以 9600 或 19200 bps 的速度進(jìn)行通信的區(qū)別。這些類型的功能加起來可以提高電機(jī)控制性能。以下部分將概述在支持電機(jī)控制的 MCU 中實現(xiàn)的一些交互以提高性能。

　　詳細(xì)的軟件 - MCU - 硬件交互

　　最簡單的 8 位 MCU 能夠進(jìn)行感應(yīng)式 BLDC 電機(jī)控制，只要它具有三個 PWM 輸出、三個通用輸出、三個通用輸入和一個額外的定時器，通過一些巧妙的軟件，甚至可以避免額外的定時器。這并不意味著它會是一個理想的解決方案，它可能會在速度和扭矩控制方面受到限制，它也缺乏檢測故障和采取措施避免故障的能力。這樣的解決方案在使用低功率且風(fēng)險很小的低端設(shè)備（例如小型計算機(jī)風(fēng)扇）中是有意義的。

　　大多數(shù)電機(jī)控制系統(tǒng)需要更多功能。扭矩控制：至少添加一個ADC通道和放大器（用于分流電阻）。過壓和欠壓監(jiān)控：添加另一個 ADC 通道。自動故障檢測：添加至少一個觸發(fā)所有 PWM 信號被禁用的輸入引腳。無傳感器操作：再添加三個 ADC 通道，最好連接到延遲單元，以定期精確觸發(fā)轉(zhuǎn)換。更復(fù)雜的控制算法需要更多的支持功能。

　　以下是電機(jī)控制 MCU 中有助于提高 BLDC 電機(jī)控制性能的特性列表：

　　圖 7：PWM 到 ADC 同步

　　圖 8：帶有死區(qū)時間插入的互補(bǔ)開關(guān)（以灰色顯示）

　　Kinetis

　　MCU

　　飛思卡爾Kinetis MCU 代表了業(yè)界最具擴(kuò)展性的 ARM? CortexTM-M4 MCU 產(chǎn)品組合。Kinetis 設(shè)備有許多不同的衍生產(chǎn)品，從低引腳數(shù)/低速設(shè)備，到總線時鐘速度高達(dá) 120 MHz 的以太網(wǎng)和高速 USB 設(shè)備。這些器件還采用創(chuàng)新的 90 nm 薄膜存儲 （TFS） 閃存技術(shù)和獨特的 FlexMemory（可配置嵌入式 EEPROM）。Kinetis 設(shè)備包括一組核心外設(shè)，然后基于特定應(yīng)用程序的基本功能構(gòu)建。特定外設(shè)差異化示例：段式 LCD、USB、以太網(wǎng)、用于醫(yī)療或計量的模擬前端等。大多數(shù) Kinetis 設(shè)備中的基本功能集以及所有電機(jī)控制功能，將在下一節(jié)中詳細(xì)介紹，

　　Kinetis 電機(jī)控制功能

　　在電機(jī)控制方面，Kinetis MCU 系列部件包括一個能夠執(zhí)行中低復(fù)雜度電機(jī)控制算法的基本子系統(tǒng)。下表詳細(xì)介紹了這些功能，建立在前幾節(jié)的基礎(chǔ)上，但詳細(xì)說明了 Kinetis 技術(shù)如何實現(xiàn)電機(jī)控制功能。

　　適合 Kinetis 技術(shù)的電機(jī)類型和控制算法

　　憑借上述功能以及適當(dāng)?shù)碾姍C(jī)控制軟件，Kinetis 技術(shù)能夠執(zhí)行以下控制算法。

　　DC（正向、反向、雙極、單極）：有刷直流電機(jī)只需要一個 PWM 通道和一個輸入即可控制傳感器。更復(fù)雜的算法可以包括使用 4 晶體管 H 橋進(jìn)行正向反向控制，以及用于電流再循環(huán)的雙極控制。

　　FlexTimer 模塊：四個 PWM 通道。如果將正交編碼器用作傳感器，則第二個 FTM 可用作正交編碼器輸入。

　　ADC：電機(jī)電流和直流母線電壓（均為可選）。

　　GPIO：速度/位置傳感器。

　　DSP指令：PI控制器。

　　步進(jìn)（單極、雙極、全步、半步、微步）：步進(jìn)電機(jī)是另一種類型的電機(jī)（有刷直流），它非常容易控制（單極、全步），但可以提高復(fù)雜性以達(dá)到更好的性能（雙極、半步、微步）。盡管許多應(yīng)用甚至不需要反饋（精確計算控制器采取的步數(shù)就足夠了），但微步（一種用于獲得軟扭矩/步進(jìn)曲線的算法）確實至少需要電流反饋。

　　FlexTimer 模塊：八個 PWM 通道。

　　ADC：電機(jī)電流和直流母線電壓（均為可選）。

　　GPIO：速度/位置傳感器。

　　BLDC 傳感器：如前所述，關(guān)鍵組件是 6 個 PWM 通道和一個輸入捕獲通道，用于測量霍爾效應(yīng)傳感器開關(guān)周期的速度。

　　FlexTimer 模塊：六個 PWM 通道。如果將正交編碼器用作傳感器，則第二個 FTM 可用作正交編碼器輸入。同步重新加載 PWM 值。PWM 信號的屏蔽、交換和軟件輸出控制，以實現(xiàn)有效換向。

　　ADC：電機(jī)電流和直流母線電壓（均為可選）。

　　GPIO + 1 輸入捕捉：霍爾效應(yīng)速度/位置傳感器。

　　DSP指令：PI控制器

　　BLDC 無傳感器：雖然聽起來復(fù)雜性相似，但這是電機(jī)控制的轉(zhuǎn)折點之一。沒有任何 MCU 可以實現(xiàn)高性能的無傳感器 BLDC 電機(jī)。

　　FlexTimer 模塊：六個 PWM 通道。同步重新加載 PWM 值。屏蔽 PWM 信號以實現(xiàn)有效換向。

　　ADC：電機(jī)電流和直流母線電壓（均為可選）。

　　ADC 或比較器：對三相信號進(jìn)行采樣以檢測過零。

　　輸入捕捉：測量過零時間。

　　延遲塊：在沒有任何 CPU 干預(yù)的情況下正確計時開始采樣。

　　DSP指令：PI控制器。

　　帶傳感器的 PMSM（FOC、正弦調(diào)制、三個分流電阻器）：PMS（永磁同步）電機(jī)的結(jié)構(gòu)類似于 BLDC 電機(jī)：永磁轉(zhuǎn)子和定子采用三相繞組。與 PMSM 電機(jī)的不同之處在于，由于它們的結(jié)構(gòu)，它們可以更有效地由正弦信號（由 PWM 輸出模擬）控制。磁場定向控制 （FOC） 是與正弦調(diào)制結(jié)合使用以控制這些電機(jī)的先進(jìn)技術(shù)，它包括在數(shù)學(xué)上（通過矩陣運算）將檢測到的為電機(jī)供電的電流從正弦信號轉(zhuǎn)換為兩個線性矢量。然后這些矢量由 PI 控制器控制，然后轉(zhuǎn)換回正弦信號。

　　PMSM 無傳感器（FOC、正弦調(diào)制、三個分流電阻器）：PMSM 無傳感器技術(shù)實施起來非常復(fù)雜，并且對 CPU 要求很高。Kinetis MCU 可以運行 PMSM 無傳感器算法，但在執(zhí)行其他關(guān)鍵任務(wù)的可用資源方面可能會達(dá)到實際限制。

　　ACIM V/Hz：ACIM（交流感應(yīng)電機(jī)）是電機(jī)控制復(fù)雜性的另一個重要飛躍。最重要的原因是它們是異步的。雖然前面描述的電機(jī)有一個永磁轉(zhuǎn)子，它使轉(zhuǎn)子與定子電場完全同步（當(dāng)控制正確時），但 ACIM 電機(jī)沒有永磁體，因此鐵芯“跟隨”定子電場但有一定的角度稱為“滑移”的相位差。在這些電機(jī)中，電機(jī)速度、轉(zhuǎn)矩、頻率和電壓之間的關(guān)系不是線性的，因此這些電機(jī)的精確控制非常復(fù)雜。用于簡化 ACIM 控制的一種技術(shù)是使用 Volts-per-Hertz （V/Hz） 曲線。本質(zhì)上，這意味著創(chuàng)建一個電壓和頻率值表，其中電機(jī)將適當(dāng)加速。這種技術(shù)不會輸出最精確的結(jié)果，但它很簡單，因此在許多不需要非常高的精度的應(yīng)用中，這可能是一個很好的選擇。

　　飛思卡爾在市場上擁有優(yōu)越的地位，可以提供廣泛的解決方案來滿足幾乎所有的客戶需求。對于更先進(jìn)的電機(jī)控制解決方案，飛思卡爾提供了廣泛的產(chǎn)品組合，甚至可以涵蓋最苛刻的應(yīng)用。

　　在某些情況下，可能需要 DSC 控制器的專用 DSP。飛思卡爾擁有大量采用數(shù)字信號控制器或 Power Architecture? 技術(shù)實施的解決方案庫，可幫助客戶快速應(yīng)對實施高級電機(jī)控制算法所帶來的挑戰(zhàn)，例如復(fù)雜范圍的磁場定向控制、單分流 PMSM 控制甚至高級無傳感器啟動過程。。

　　理想的 Kinetis 技術(shù) + 電機(jī)控制應(yīng)用

　　Kinetis MCU 非常適合用于許多電機(jī)控制應(yīng)用。通過提供廣泛的引腳對引腳兼容解決方案和關(guān)鍵模塊路線圖，旨在實現(xiàn)最佳電機(jī)控制。

　　非常適合 Kinetis MCU 的電機(jī)控制應(yīng)用示例：

　　中小型電器：許多電器不需要先進(jìn)的電機(jī)控制，但會受益于更簡單的電機(jī)控制以及 Kinetis 技術(shù)中的其他功能，例如，高端咖啡機(jī)可以在水泵中配備電機(jī)控制器或一體式咖啡研磨機(jī)。

　　玩具：從振動到機(jī)器人運動，許多玩具都使用簡單、經(jīng)濟(jì)高效的電機(jī)。

　　工業(yè)控制：盡管許多工業(yè)控制系統(tǒng)是分布式的并且依賴于處理器網(wǎng)絡(luò)，但具有成本效益或多用途的工業(yè)面板可以包括用于小型傳送帶、風(fēng)扇或泵等的嵌入式 BLDC 控制器。

　　結(jié)論

　　飛思卡爾在電機(jī)控制市場擁有創(chuàng)新歷史，將 Kinetis 系列添加到電機(jī)控制解決方案組合中；飛思卡爾繼續(xù)擴(kuò)大其選擇范圍以滿足各種客戶要求。

　　受市場對降低功耗、噪音和提高效率的持續(xù)需求的推動，BLDC 電機(jī)的使用量不斷增加。飛思卡爾致力于提供有針對性的解決方案，幫助客戶在其應(yīng)用中快速實施電機(jī)控制，無論是在工廠自動化市場、電器還是醫(yī)療領(lǐng)域。我們了解客戶面臨的挑戰(zhàn)，并且隨著產(chǎn)品和支持解決方案的不斷增加，我們努力讓客戶快速有效地進(jìn)入市場。

　　Kinetis MCU 系列代表了行業(yè)許多領(lǐng)域中大量電機(jī)控制應(yīng)用的絕佳選擇。飛思卡爾推出具有 DSP 功能的 120-150 MHz ARM? CortexTM-M4 內(nèi)核，以及單周期 MAC、單指令多數(shù)據(jù) （SMID） 擴(kuò)展和單精度浮點單元等特性，支持電機(jī)控制應(yīng)用所需的密集數(shù)學(xué)處理算法。專為承擔(dān)電機(jī)控制任務(wù)而設(shè)計的關(guān)鍵模塊，例如飛思卡爾的 FlexTimers，總共提供多達(dá) 20 個通道。硬件死區(qū)時間插入和正交解碼以及精確的 ADC 轉(zhuǎn)換模塊使 Kinetis 系列能夠滿足您的許多電機(jī)控制需求。