在能源短缺及嚴(yán)苛環(huán)保要求雙重壓力下，更高能效、更出色動(dòng)態(tài)性能和更低運(yùn)行噪聲，已成為電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的必然趨勢(shì)。因此，從傳統(tǒng)AC電機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換到在效率、噪聲、重量、壽命等方面更具備優(yōu)勢(shì)的無刷直流電機(jī)(BLDC)/步進(jìn)電機(jī)(SM)，也正成為電機(jī)控制應(yīng)用設(shè)計(jì)人員目前追逐的熱點(diǎn)。
120°直流無刷電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)控制方式
眾所周知，3個(gè)霍爾傳感器之間的間隔是120°，每個(gè)霍爾信號(hào)依據(jù)旋轉(zhuǎn)磁極的方向進(jìn)行切換。根據(jù)3個(gè)霍爾信號(hào)的狀態(tài)，就能在每60°(每個(gè)周期有6 種模式)得到一次位置信息。如果每相的導(dǎo)通模式按照該時(shí)序進(jìn)行改變切換，那么旋轉(zhuǎn)磁通就會(huì)按下圖那樣產(chǎn)生，從而轉(zhuǎn)子得到力矩并且旋轉(zhuǎn)。
圖1 六種導(dǎo)通模式和轉(zhuǎn)子位置的范圍
電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的計(jì)算，是從當(dāng)前定時(shí)器的計(jì)數(shù)值和2π[rad]之前的定時(shí)器計(jì)數(shù)值之差得到的。定時(shí)器計(jì)數(shù)值是通過霍爾信號(hào)觸發(fā)的外部中斷獲得，在此期間定時(shí)器TAU一直進(jìn)行自由計(jì)數(shù)。這種測(cè)速方法，即使3個(gè)霍爾傳感器存在位置偏差，也同樣適用。
為了啟動(dòng)電機(jī)并且獲取轉(zhuǎn)子的位置信息，需要向電機(jī)提供一個(gè)60°的啟動(dòng)時(shí)序。以此觸發(fā)霍爾信號(hào)對(duì)應(yīng)的外部中斷，并不斷進(jìn)行換相控制，從而讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來。而任意時(shí)刻(n)占空比的調(diào)整值由以下公式計(jì)算得到，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的調(diào)節(jié)。
步進(jìn)電機(jī)則是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制電機(jī)。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，不受負(fù)載變化的影響。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的，也可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。
圖2 步進(jìn)電機(jī)原理
專為中國(guó)市場(chǎng)設(shè)計(jì)
針對(duì)中國(guó)日漸成熟的電機(jī)控制應(yīng)用，瑞薩電子推出了多款專門面向中國(guó)市場(chǎng)的MCU產(chǎn)品，旨在通過最低的功耗，增強(qiáng)的計(jì)算能力和外圍設(shè)備功能，實(shí)現(xiàn)高處理性能。
R7F0C009系列
R7F0C009是瑞薩電子面向電動(dòng)自行車、電動(dòng)工具、家用電器等需要控制直流無刷電機(jī)的應(yīng)用專門研發(fā)的少管腳單片機(jī)。采用RL78內(nèi)核，不僅擁有高精度(±2%)片上振蕩器、24MHz工作頻率的CPU，以及其他標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)置功能，還采用了來源于R8C家族的乘除法器和乘累加指令功能，帶有可證實(shí)追尋記錄，如定時(shí)器RD/RJ、事件鏈接控制器、1路運(yùn)算放大器、2路模擬比較器，能以更低的總體成本來構(gòu)架系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)更緊湊的體積和更低功耗。
圖3 R7F0C009模塊框圖
該系列MCU配置為30-44管腳，最大16K Flash，片內(nèi)集成了最多12通道ADC和用于三相PWM驅(qū)動(dòng)的電機(jī)控制專用定時(shí)器RD。由于能夠輸出3對(duì)正和反相不重疊的PWM波形，特別合適用于直流無刷電機(jī)。
圖4 電機(jī)控制專用定時(shí)器RD用于三相PWM驅(qū)動(dòng)
事件鏈接控制器(ELC)可以在CPU不干預(yù)的情況下利用定時(shí)器觸發(fā)(自動(dòng)/延遲)A/D采樣，提高電機(jī)控制的性能。
圖5 事件鏈接控制器(ELC)功能
R7F0C009 MCU還集成了可編程增益放大器和比較器，支持2通道比較(高/低速可選)、高速遠(yuǎn)行模式(電機(jī)電流反饋，防止過流保護(hù))和低功耗低速遠(yuǎn)行模式(電池檢測(cè))，可用于電流監(jiān)察保護(hù)。
圖6 R7F0C009獨(dú)有的可編程增益放大器/比較器
除此之外，MCU的多數(shù)管腳可以支持40mA的大電流輸出，可以減少外部驅(qū)動(dòng)元件的數(shù)量，進(jìn)一步降低成本。瑞薩電子同時(shí)為電機(jī)控制單片機(jī)提供電動(dòng)自行車控制器和直流無刷電動(dòng)工具的參考設(shè)計(jì)，縮短客戶的入門時(shí)間和產(chǎn)品開發(fā)周期。
R7F0C014系列
R7F0C014系列微控制器的目標(biāo)市場(chǎng)鎖定在逆變電機(jī)控制、軟件調(diào)制解調(diào)器、家用電器、移動(dòng)設(shè)備、醫(yī)療及保健設(shè)備及其他消費(fèi)類電子、辦公設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域。該系列同樣采用RL78 內(nèi)核，提供32管腳LQFP(0.8mm管腳間距)和64管腳(0.5mm和 0.65mm管腳間距)封裝。
R7F0C014不僅擁有高精度(±1%)片上振蕩器、32MHz工作頻率的CPU，以及其他標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)置功能，還采用了比RL78/G13系列處理速度更快并來源于R8C家族的乘除法器和乘累加指令功能，帶有可證實(shí)追尋記錄，如可用于三相PWM驅(qū)動(dòng)的定時(shí)器RD/RG、數(shù)據(jù)傳送控制器、事件鏈接控制器，能以更低的總體成本來構(gòu)架系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)更緊湊的體積和更低功耗。
除此之外，還支持寬電壓工作(1.6V-5.5V工作電壓)，并內(nèi)置了大量功能支持功能性安全(如A/D轉(zhuǎn)換器測(cè)試功能)，以及大容量Flash(128KB Flash，8KB RAM，8KB數(shù)據(jù)Flash)，用戶可以加入大量安全相關(guān)的代碼以符合IEC和安規(guī)需求。
圖7 R7F0C014模塊框圖
R7F0C806/807系列
R7F0C806/807系列微控制器具備高精度±2%片上振蕩器(TA = 0 + 40℃)，從而使CPU運(yùn)行達(dá)到20 MHz成為可能，同時(shí)內(nèi)置了可選上電復(fù)位和看門狗定時(shí)器等功能，有助于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更緊湊的尺寸和低功耗，使整個(gè)系統(tǒng)搭建成本更低。此外，R7F0C806/807內(nèi)置實(shí)時(shí)輸出控制電路，通過定時(shí)器的PWM輸出方式可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)8通道輸出，有助于客戶進(jìn)行無刷直流電機(jī)控制和步進(jìn)電機(jī)控制(同一時(shí)間控制兩個(gè))開發(fā)。
該系列產(chǎn)品具有20個(gè)引腳的SSOP和SOP封裝，以及4 KB-8 KB的閃存陣容，更適合于小型家用電器以及通用消費(fèi)產(chǎn)品應(yīng)用。
圖8 R7F0C806/807模塊框圖
在實(shí)際應(yīng)用中，通過使用TAU的PWM 輸出功能，可實(shí)現(xiàn)一個(gè)直流電機(jī)或者兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的控制;通過產(chǎn)生因INTP0引起的中斷，能截?cái)噍敵?通過軟件的設(shè)定，能從強(qiáng)制截?cái)鄷r(shí)進(jìn)行Hi-Z輸出、低電平輸出、高電平輸出以及禁止截?cái)噍敵龅?種輸出中進(jìn)行選擇。
圖9 R7F0C806/807實(shí)時(shí)輸出控制電路
（轉(zhuǎn)載）
