使用Microchip MCC + PIC16F161x CIP快速开发基于单相BLDC电机的风扇

引言

无刷直流（BLDC）风扇由于效率高，成本低，结构简单，寿命长的特点，被广泛应用于空气循环和空气冷却的应用中，如PC散热风扇，汽车座椅通风风扇。

单相BLDC电机风扇的特点：

无刷直流（BLDC）电机是一种正在快速普及的电机类型，在家用电器、汽车、消费品、医疗、工业等行业中有大量应用。

BLDC没有电刷，使用电子换向。与有刷直流电机和感应电机相比，有以下优点：

更好的转矩特性，高效率，使用寿命长，结构简单，转动噪音低，转速范围更高

同时相对的，BLDC控制较复杂，需要较高的芯片资源。

根据BLDC转子绕组数量的不同，可以分为单相，两相和三相。其中单相BLDC是汽车座椅通风风扇的主要选择。此类电机构造制造简单，驱动方便，成本低廉，寿命长。

快速开发单相BLDC电机风扇应用：

单相BLDC电机通常需要以下系统架构：

由于控制电路功耗较小，一般选择高输入电压的LDO进行供电；电机使用H桥进行驱动；视电机转速相关的MOS开关频率选择栅极驱动；在电机母线上加电流和电压检测，防止过流和过压；使用霍尔器件测量电机转速和检测电机换向；根据产品要求外加通信接口和调速接口（PWM或电位器）；MCU需要能够输出2对互补PWM，ADC输入，信号频率占空比测量模块，PID模块，视产品需求选择通信接口，通常为LIN或者CAN总线。

单相BLDC控制框图

单相BLDC电机核心控制原理，使用两对互补PWM控制电机正反向转动：

Microchip作为致力于智能、互联和安全的嵌入式控制解决方案的领先供应商，产品序列中除了MCU/MPU微处理器，还有丰富的模拟/接口/存储产品，可以满足客户在不同应用的器件需求。

在单相BLDC电机应用中，电源部分Microchip有MCP1790/1和MCP1792/3系列LDO可供选择。MCP1790/1 Vinmax 30V，Iout 70mA，适用于12V系统；MCP1792/3 Vinmax 55V，Iout 100mA，适用于24V系统；以上LDO具有高电压、低压差、低静态功耗的优点，工作温度高至150℃，并通过了AEC-Q100标准，适用于汽车应用。

Gate Driver栅极驱动部分，Microchip有高边/低边/半桥/H桥/三相桥驱动和专用电机驱动。在单相BLDC电机应用中常用的器件为MIC4605半桥驱动。驱动电流为1A，适用于80V电压以下单相BLDC电机应用，同样通过了AEC-Q100标准。此外在一些功率比较小的电机应用中，由于电机功率小转速不高，H桥的功率器件不需要较大驱动电流，可由MCU IO直接驱动，节约成本。

OP运算放大器部分，Microchip有着丰富的运放产品，包括通用运放/零漂移运放/仪表放大器。在电机应用中，Microchip的MCP6001/2系列有着很强的通用性。1MHz的GBWP，4.5mV Vosmax，Ib 1pA，Rail To

Rail输入输出，SC-70/SOT-23的参数让它适用于很多模拟信号处理应用。在拥有不错性能的基础上它的价格同样不错，因此得到了大量应用。在电机应用中如果对于电流/电压采集要求精度不高，同时MCU集成了运放/ADC，也可考虑使用MCU内部模拟外设采集模拟信号。

通信接口部分，Microchip是CAN/LIN收发器市场的头部半导体厂商，有着齐全的CAN/LIN总线产品。CAN总线部分，有CAN（FD）控制器，CAN（FD）收发器。其中ATA6560/1和MCP2561/2 CAN收发器分别适用于12V/24V系统；ATA6563收发器符合功能安全ASIL B；MCP2518FD CAN控制器适用于MCU 需要外扩CAN口的场合；MCP25625是市场上少见的集成了CAN收发器和控制器SPI转CAN器件，集成度高，节约空间。LIN总线部分，有独立LIN收发器、集成LDO/Reset/WDT/LIN 收发器，有多个型号可控选择。其中ATA663454 符合功能安全ASIL B，适合有相关需求的汽车应用。

Microchip整体解决方案（Microchip拥有框图中所标大部分产品）

PIC16F161x CIP介绍

PIC16F161x系列属于Microchip中等性能8位机，拥有丰富的资源。特别是有Microchip特色的独立于内核外设（CIP），可以通过软件配置，自由组合内部外设，以满足不同的应用。CIP可以减少内核干预，提升MCU性能，减少产品功耗。

Microchip 8bitMCU部分CIP模块

PIC16F161x系列用于电机应用的关键外设

CWG

CWG为互补波形发生器，可与PWM模块配合产生全桥、半桥或转向PWM波形。当配置为全桥或半桥模式时，可输出带上升沿和下降沿死区控制的互补波形。适合用作H桥驱动控制。此外CWG还带有关断源，可由内部外设模块如比较器输出或外部引脚输入控制关断，实现自动保护功能。

CWG全桥模式框图

SMT

SMT为信号测量定时器。是一个具有高级时钟和门控逻辑的24位计数器，可以用来测量各种数字信号参数。例如脉冲宽度、频率和占空比。在单相BLDC应用中可以用作测量霍尔输入信号的频率，计算电机转速；还可以测量外部PWM信号的频率和占空比，解析调速命令。

SMT框图

Math Accelerator

Math Accelerator为数学加速器，它可以用作PID控制器。用来调节电机转速的误差。

Math ACC框图

根据以上特点，开发使用外部PWM输入占空比控制转速的散热风扇

PIC161x单相BLDC电机风扇方案框图

控制逻辑

使用MCC进行快速配置

MCC（MPLAB Code Configurator）为Microchip MCU开发环境MPLABX IDE的图形化配置工具，以插件的形式集成在IDE中。可以直观配置外设资源，引脚定义，一键生成外设驱动程序。能够简化开发流程，免于频繁查阅数据手册寄存器，让工程师进行快速软件开发。

一些关键模块配置：

CWG

Math ACC

SMT

软件控制策略

使用两个反馈环路。内部环路负责电机电子换向控制，外部环路负责转速控制和校正。有转速基准和故障检测。

转速基准

转速集准由外部PWM设定。占空比决定了电机的转速，占空比越高，电机转速越快。

外部环路

外部环路提供电机转速的测量和控制。控制电机转速的目的是在不同条件下（例如母线电压、负载需求变化、干扰和温度漂移），将电机转速维持在需要的值。进行必要的转速校正，以维持需要的值，从而决定电机的实际转速 。

内部环路

要让转子旋转，必须有定子产生的旋转磁场。单个绕组进行电励磁，以产生旋转磁场。要提供连续的旋转，并防止永磁转子与定子卡死，定子绕组上的励磁必须按照特定方式排序，同时要知道转子磁铁的准确位置。转子磁铁位置通过使用霍尔效应传感器来确定 。

控制策略图

最终传感器和驱动时序图如下

风扇演示

使用Microchip Curiosity（DM164137）作为PWM发生器，控制风扇。

总结

PIC161x系列拥有适用于单相BLDC的CWG、Math ACC、SMT等CIP资源，使用MCC可以根据实际需求，快速完成单相BLDC电机风扇应用开发。如有PC或服务器散热风扇，汽车空调座椅通风风扇等应用需求，可参考Microchip AN2049、AN1779等应用手册，快速开发相关应用。

作者：Tony Zhang ABIT