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标题: 掌握MCU软件设计准则实现直流马达控制精准度提升 [打印本页]

作者: 520503 时间: 2014-11-25 22:35 标题: 掌握MCU软件设计准则实现直流马达控制精准度提升

关键字：MCU 直流马达控制精准度 PWM 霍尔效应传感器
300瓦以下的小功率马达适合以MCU做为控制方案，在各家MCU硬件规格差异化日渐缩小之下，软件演算设计就显得相形重要，若能掌握MCU控制各种直流马达的软件设计原则，将能大幅提升马达控制的精准度。
运作在300瓦(W)以下的小功率马达被广泛应用于各类应用，例如汽车系统、打印机、复印机、碎纸机、玩具、工厂自动化、测试设备、机器人技术、航空航天与军工等。最流行的小功率马达类型是直流(DC)马达、无刷直流马达(BLDC)和步进马达。马达的产量大致与功率大小成反比，量产的小功率马达数量远远高于大功率马达数量。

专用于马达控制的数字信号处理器(DSP)设计主要在满足大型脱机式马达的需求。脱机马达通常为交流(AC)感应或无刷直流马达，运行在110-480VAC和1/4-100马力(HP)。专用于马达控制的DSP，对于小功率马达控制系统来说，成本太高。

本文提供使用微控制器(MCU)控制各类马达的软件范例。虽然这些范例相对简单，但其针对各类马达提供有效的解决方案。一个传统的马达控制系统通常要求额外特性并具有更高的复杂度。这些软件范例能够做为开发更复杂马达驱动系统的基础。

借助软件演算　DC有刷马达功耗下降

DC马达在小功率马达中是最常见和最便宜的。在本文中，DC马达主要指的是有刷换向永磁直流马达。

DC马达的特性使其成为变速系统中最简单易使用的马达。DC马达的转矩-速度特性如图1所示，DC马达的非负载速度与马达电源电压成线性关系。驱动稳定扭矩负载、线性负载或指数负载的DC马达的电压-速度特性也是连续的、正斜率的和可预测的，因此，在大多数情况下，使用开放回路控制系统是可行的。简单地改变通过马达的电压，任何人都能够控制马达的速度。脉宽调变(PWM)能够用于改变马达供电电压，加载到马达的平均电压与PWM工作周期比成正比例关系(这里忽略马达电感和不连续运行导致的次要影响)。

图1　DC马达特性

这里提供一个以MCU控制DC马达的简单例子。在这个范例中，使用模拟数字转换器(ADC)读取电位器的位置信息，并使用PCA 8位PWM模式输出对应的PWM信号(图2)。

图2　DC马达驱动电路

单个N通道功率金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)Q1用于驱动DC马达。功率MOSFET应当根据特定的马达电压和电流需求进行选择。飞轮二极管的D1跨接到DC马达。当MOSFET关闭时，电流通过马达自感继续流动，MOSFET漏极电压将上升到超过马达电源电压的一个二极管压降，然后，电流经由飞轮二极管继续流动。

大多数低压马达驱动电路利用萧特基功率整流器实现飞轮二极管，萧特基整流器具有较低的正向电压和极短的反向恢复时间。这两者在马达驱动应用中都是非常重要的参数因子。

功率MOSFET由反向闸极驱动器驱动。F300的端口引脚默认配置为输入引脚，并且启用弱的100k上拉电阻。在端口被配置而且交叉开关器和周边启用之前，端口引脚一直保持高电平。当复位接脚保持低电平时，端口接脚也会被配置为弱上拉启用的输入接脚。透过使用反向驱动器，功率晶体管在预设状态下处于关闭状态。如果使用非反相器驱动，10k下拉电阻应当端口引脚和接地。

为使用3伏特(V)微控制器，闸极驱动器应当具有3V相容的输入电平临界值。如果马达电压在5-15V之间，闸极驱动器能够直接切断马达电源电压。如果马达电压超过15V，分开的闸极驱动器电源电压是需要的，通常为5V或者12V。当采用低于10V的闸极驱动器电源电压时，应当使用逻辑电平功率MOSFET。

软件实现非常简单。main()函数初始化频率、端口和周边，然后进入while(1)回路。在while(1)中使用avgADC()函数读取电位器电压值，然后输出这个值到8位PWM。

PORT_Init()函数配置端口输入/输出(I/O)、周边、?用数位交叉开关器。在这里，为8位PWM?用端口引脚，为闸极驱动器?用推挽式输出引脚。

系统频率SYSCLK被配置运行在24.5MHz最大速率，这允许8位PWM可配置为160奈秒(ns)频率周期和24kHz频率。

ADC0_Init()函数配置ADC为查询模式。ADC增益设定为1，并且为ADC频率选择1MHz保守频率。重要的是，这里也要初始化电压参考，配置ADC使用VDD满量程。

函数readADC()采用查询模式读取电压值一次，并返回ADC值。函数avgADC()调用readADC()函数，并且返回六十四个采样值的平均值。平均化ADC读数可以最小化噪声影响，减少PWM输出抖动。

当使用PCA 8位PWM模式时，在CEX0输出0x00值对应到100%的工作周期比；输出0xFF值对应到0.39%的工作周期比，0%的工作周期比可以透过清除PCA0CPM0 SFR中的ECOM0位来实现。

当使用反向驱动器时，这种关系是相反的。在MOSFET闸极驱动器上，0x00值对应到0%的工作周期比，0xFF值对应到99.6%的工作周期比为了简单起见，本文中所有使用8位PWM的软件范例都仅限于使用99.6%PWM。

在一些情况下，100%的工作周期比是可取的，100%工作周期比将有效的消除开关损耗。由于MOSFET从不会关闭，因此在MOSFET上没有开关损耗，在二极管上也没有损失，唯一的功率损耗是功率MOSFET中的传导损耗。如果马达预计在大部分时间里都处于全速运作，100%的最大工作周期比是合理的。100%的工作周期比，可以经由清除PCA0CPM0 SFR中的ECOM0位来实现。

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