MCU如何实现高效BLDC电机控制

　　无刷直流电动机也称为电子换向电动机，顾名思义，BLDC 也是直流供电的。主要特点是 BLDC 电机不使用电刷，而是电子换向。

　　BLDC 有一个带有永磁体的转子和一个带有绕组的定子。它本质上是一个内外翻转的直流电机。电刷和换向器已被取消，绕组连接到控制电子设备。控制电子设备取代换向器的功能，同时为适当的绕组供电。

　　通过去除电刷和机械换向，我们消除了火花，这是 BLDC 电机的优势之一。BLDC 可能更清洁、更快、噪音更小、效率更高、更可靠，但确实需要电子控制。

　　本文讨论了微控制器运行高效 BLDC 电机控制算法所需的主要特性，并介绍了 Kinetis 系列 MCU 如何实现这些特性（以及如何使用它们）。还提到了 Kinetis 技术进行电机控制的理想应用。

　　简要介绍了电子电机控制，但建议了解 BLDC 电机控制的基本知识。

　　电子电机控制的好处

　　使用先进的电机控制技术和三相无刷电机，与简单或无控制的单相电机相比，为产品的最终应用和支撑结构提供了多种好处。无刷电机比有刷电机效率高得多，最明显的原因是电刷在转子上施加寄生扭矩（浪费的能量）。刷子的其他问题是：扭矩故障、可听见的噪音、机械磨损。另一方面，可以控制无刷电机以获得低噪音和平坦的扭矩响应。没有刷子也意味着更少的维护需求（刷子磨损并需要更换）。相同功率和尺寸空间的无刷电机也将比有刷电机运行得更快。

　　无刷电机还允许设计有刷电机难以或不切实际的电机外形，例如：“煎饼”电机，一种开始在洗衣机和泵中使用的扁平电机，以及带有“外部”转子（转子的永磁体位于定子绕组的外部而不是内部）。

　　典型的 BLDC 电机控制系统

　　与任何控制系统一样，典型的电机控制系统将包括一个控制或“输出”部分和一个反馈或“输入”部分。在典型的电机控制系统中，抽象表示如下。

　　

 

 

　　图 1：简化的电机控制系统

　　基本要素是：

　　功率放大器（可以从单个电源开关到由 6 个功率晶体管制成的三相逆变器）。

　　每个感测变量的反馈：在电机控制系统中，最基本的反馈是速度（或位置，可以从中获得速度）。速度/位置传感器有多种形式。在 BLDC 系统中，最典型的传感器是霍尔效应传感器，每个相位一个，这些传感器用于确定转子何时移动了一步，移动发生的时间段用于确定电机的速度。进入电机的电流是另一个重要变量，在 DC 和 BLDC 电机中，电流与电机扭矩直接相关，在正弦电机中，它也与扭矩有关，但不是线性关系。在这些电机中，它也是一种重要的反馈方法，在磁场定向控制 （FOC） 技术中，它是一个基本变量。请注意，有一些方法可以在没有传感器的情况下估计转子的位置，

　　速度和电流（扭矩）参考：这是定义预期输出的用户或系统输入。这些可以是 HMI 中用户的直接设置，也可以是来自另一台计算机或系统通过串行通信链路的自动控制。

　　速度和电流控制器：在基于 MCU 的电机控制中，这些模块通常由软件组成。高级 DSP 控制器和带有 DSP 协处理器的 MCU（例如 Kinetis MCU 中的 ARM® CortexTM-M4 内核）可以帮助进行执行控制功能所需的数学计算。电机系统中最典型的控制形式是 PI（比例 - 积分）。通常不使用 PID 控制器，因为 D 项（导数）会使系统容易受到高频噪声的影响。D 项的优点是提高对输入快速变化的响应，因为电机是缓慢的机械过程（与其他可控变量相反），并且电机缓慢启动以避免电流峰值，适应快速变化的优势确实没有帮助。

　　BLDC电机控制系统

　　BLDC 电机控制是一个三相系统。图 1 中的图表需要更多细节来全面解释 BLDC 电机控制系统。

　　

 

 

　　图 2：BLDC 控制框图

　　请注意，这种块级表示适用于有传感器和无传感器 BLDC 电机控制器。主要区别在于速度反馈和输入部分。典型的传感 BLDC 应用将使用三个霍尔效应传感器作为速度/位置反馈，控制器只需要输入引脚和一个定时器来检测开关模式和开关周期。另一方面，无传感器算法将测量在特定时刻未被驱动的电机相位产生的 BEMF（反电磁力）电压，以测量该电压的变化率并推断电机基于该测量的速度。这需要一个 ADC 或模拟比较器和一个定时器，以及一些更复杂的代码。在以下部分中，将讨论 Kinetis MCU 的外设解决此问题的方式。

　　软件组件

　　保持电机和控制器运行的软件具有特定特性，在某些情况下，这些特性仅在控制系统中常见。下图显示了有传感器和无传感器 BLDC 电机控制系统中最重要的组件。

　　

 

 

　　图 3：传感 BLDC 应用中的典型软件组件

　　从上图中有几点需要指出：

　　模拟输入：模拟输入需要足够快的采样速度，以便数据在采样周期内可用。这在无传感器 BLDC 应用中非常关键，在这些应用中，至少每个 PWM 脉冲都需要可用数据来精确确定过零发生的时间。请注意下面的数字。第一个是通常用于测量 BLDC 电机 BEMF 的信号的示波器屏幕截图。可以注意到，由于 PWM 信号对其他相位的影响，信号是有噪声的。信号需要在特定时刻进行采样，与 PWM 信号同步，使过零检测信号准确且可重复（如下图所示）

　　

 

 

　　图 4：BEMF 信号和同步采样窗口

　　PWM 信号换向：BLDC 电机控制中的一个重要过程是换向，打开和关闭正确的组合输出以创建用于 BLDC 电机控制的 6 步换向序列。除了需要一个 6 输出 PWM 模块外，BLDC 电机控制系统还需要能够打开和关闭 PWM 信号（用于换向）。因此，进入电机的开关模式不会出现毛刺，开关不应干扰或影响 PWM 信号（与换向模式异步）。周期性的毛刺会转化为不均匀的扭矩甚至是可听见的噪音。

　　数学运算：有几个数学过程会定期发生。其中最密集的是 PI 控制器。为了保持一致的输出，PWM 信号必须定期更新，它们的刷新率提高了控制的准确性，这意味着如果 PI 控制器执行得更频繁，给定一个经过适当校准和表征的系统，结果会好很多。求解 PI 控制器所需的操作通常是 CPU 密集型的，并且由几个点积操作组成。这些操作在典型的 CPU 内核中传统上很慢，因此优化算法和专门为数字信号控制和处理而设计的指令，例如一次执行多个操作或从多个来源获取数据，

　　延迟：上述过程不能在确切的时间或恰好在另一个之后发生。他们需要定时。在普通的 MCU 中，这会发生使用定时器，手动打开和关闭定时器。这种在每个控制周期同步定时器的过程加起来很长，当达到最高速度并且切换发生在非常快的周期时，它就成为一个特殊的问题。硬件辅助延迟和触发器通过卸载 CPU 来提高电机控制器的效率。下图突出显示了一个例子。

　　

 

 

　　图 5：BEMF 信号和同步采样窗口

　　

 

 

　　图 6：手动触发

　　即使是一个简化的例子，很明显能够自动触发 ADC 转换会减轻 CPU 的负担，否则可能会影响整个应用程序的性能（例如，能够以 9600 或 19200 bps 的速度进行通信的区别。这些类型的功能加起来可以提高电机控制性能。以下部分将概述在支持电机控制的 MCU 中实现的一些交互以提高性能。

　　详细的软件 - MCU - 硬件交互

　　最简单的 8 位 MCU 能够进行感应式 BLDC 电机控制，只要它具有三个 PWM 输出、三个通用输出、三个通用输入和一个额外的定时器，通过一些巧妙的软件，甚至可以避免额外的定时器。这并不意味着它会是一个理想的解决方案，它可能会在速度和扭矩控制方面受到限制，它也缺乏检测故障和采取措施避免故障的能力。这样的解决方案在使用低功率且风险很小的低端设备（例如小型计算机风扇）中是有意义的。

　　大多数电机控制系统需要更多功能。扭矩控制：至少添加一个ADC通道和放大器（用于分流电阻）。过压和欠压监控：添加另一个 ADC 通道。自动故障检测：添加至少一个触发所有 PWM 信号被禁用的输入引脚。无传感器操作：再添加三个 ADC 通道，最好连接到延迟单元，以定期精确触发转换。更复杂的控制算法需要更多的支持功能。

　　以下是电机控制 MCU 中有助于提高 BLDC 电机控制性能的特性列表：

　　

 

   

 

　　图 7：PWM 到 ADC 同步

　　

 

 

　　图 8：带有死区时间插入的互补开关（以灰色显示）

　　Kinetis

　　MCU

　　飞思卡尔Kinetis MCU 代表了业界最具扩展性的 ARM® CortexTM-M4 MCU 产品组合。Kinetis 设备有许多不同的衍生产品，从低引脚数/低速设备，到总线时钟速度高达 120 MHz 的以太网和高速 USB 设备。这些器件还采用创新的 90 nm 薄膜存储 （TFS） 闪存技术和独特的 FlexMemory（可配置嵌入式 EEPROM）。Kinetis 设备包括一组核心外设，然后基于特定应用程序的基本功能构建。特定外设差异化示例：段式 LCD、USB、以太网、用于医疗或计量的模拟前端等。大多数 Kinetis 设备中的基本功能集以及所有电机控制功能，将在下一节中详细介绍，

　　Kinetis 电机控制功能

　　在电机控制方面，Kinetis MCU 系列部件包括一个能够执行中低复杂度电机控制算法的基本子系统。下表详细介绍了这些功能，建立在前几节的基础上，但详细说明了 Kinetis 技术如何实现电机控制功能。

　　

 

 

　　适合 Kinetis 技术的电机类型和控制算法

　　凭借上述功能以及适当的电机控制软件，Kinetis 技术能够执行以下控制算法。

　　DC（正向、反向、双极、单极）：有刷直流电机只需要一个 PWM 通道和一个输入即可控制传感器。更复杂的算法可以包括使用 4 晶体管 H 桥进行正向反向控制，以及用于电流再循环的双极控制。

　　FlexTimer 模块：四个 PWM 通道。如果将正交编码器用作传感器，则第二个 FTM 可用作正交编码器输入。

　　ADC：电机电流和直流母线电压（均为可选）。

　　GPIO：速度/位置传感器。

　　DSP指令：PI控制器。

　　步进（单极、双极、全步、半步、微步）：步进电机是另一种类型的电机（有刷直流），它非常容易控制（单极、全步），但可以提高复杂性以达到更好的性能（双极、半步、微步）。尽管许多应用甚至不需要反馈（精确计算控制器采取的步数就足够了），但微步（一种用于获得软扭矩/步进曲线的算法）确实至少需要电流反馈。

　　FlexTimer 模块：八个 PWM 通道。

　　ADC：电机电流和直流母线电压（均为可选）。

　　GPIO：速度/位置传感器。

　　BLDC 传感器：如前所述，关键组件是 6 个 PWM 通道和一个输入捕获通道，用于测量霍尔效应传感器开关周期的速度。

　　FlexTimer 模块：六个 PWM 通道。如果将正交编码器用作传感器，则第二个 FTM 可用作正交编码器输入。同步重新加载 PWM 值。PWM 信号的屏蔽、交换和软件输出控制，以实现有效换向。

　　ADC：电机电流和直流母线电压（均为可选）。

　　GPIO + 1 输入捕捉：霍尔效应速度/位置传感器。

　　DSP指令：PI控制器

　　BLDC 无传感器：虽然听起来复杂性相似，但这是电机控制的转折点之一。没有任何 MCU 可以实现高性能的无传感器 BLDC 电机。

　　FlexTimer 模块：六个 PWM 通道。同步重新加载 PWM 值。屏蔽 PWM 信号以实现有效换向。

　　ADC：电机电流和直流母线电压（均为可选）。

　　ADC 或比较器：对三相信号进行采样以检测过零。

　　输入捕捉：测量过零时间。

　　延迟块：在没有任何 CPU 干预的情况下正确计时开始采样。

　　DSP指令：PI控制器。

　　带传感器的 PMSM（FOC、正弦调制、三个分流电阻器）：PMS（永磁同步）电机的结构类似于 BLDC 电机：永磁转子和定子采用三相绕组。与 PMSM 电机的不同之处在于，由于它们的结构，它们可以更有效地由正弦信号（由 PWM 输出模拟）控制。磁场定向控制 （FOC） 是与正弦调制结合使用以控制这些电机的先进技术，它包括在数学上（通过矩阵运算）将检测到的为电机供电的电流从正弦信号转换为两个线性矢量。然后这些矢量由 PI 控制器控制，然后转换回正弦信号。

　　PMSM 无传感器（FOC、正弦调制、三个分流电阻器）：PMSM 无传感器技术实施起来非常复杂，并且对 CPU 要求很高。Kinetis MCU 可以运行 PMSM 无传感器算法，但在执行其他关键任务的可用资源方面可能会达到实际限制。

　　ACIM V/Hz：ACIM（交流感应电机）是电机控制复杂性的另一个重要飞跃。最重要的原因是它们是异步的。虽然前面描述的电机有一个永磁转子，它使转子与定子电场完全同步（当控制正确时），但 ACIM 电机没有永磁体，因此铁芯“跟随”定子电场但有一定的角度称为“滑移”的相位差。在这些电机中，电机速度、转矩、频率和电压之间的关系不是线性的，因此这些电机的精确控制非常复杂。用于简化 ACIM 控制的一种技术是使用 Volts-per-Hertz （V/Hz） 曲线。本质上，这意味着创建一个电压和频率值表，其中电机将适当加速。这种技术不会输出最精确的结果，但它很简单，因此在许多不需要非常高的精度的应用中，这可能是一个很好的选择。

　　飞思卡尔在市场上拥有优越的地位，可以提供广泛的解决方案来满足几乎所有的客户需求。对于更先进的电机控制解决方案，飞思卡尔提供了广泛的产品组合，甚至可以涵盖最苛刻的应用。

　　在某些情况下，可能需要 DSC 控制器的专用 DSP。飞思卡尔拥有大量采用数字信号控制器或 Power Architecture® 技术实施的解决方案库，可帮助客户快速应对实施高级电机控制算法所带来的挑战，例如复杂范围的磁场定向控制、单分流 PMSM 控制甚至高级无传感器启动过程。。

　　理想的 Kinetis 技术 + 电机控制应用

　　Kinetis MCU 非常适合用于许多电机控制应用。通过提供广泛的引脚对引脚兼容解决方案和关键模块路线图，旨在实现最佳电机控制。

　　非常适合 Kinetis MCU 的电机控制应用示例：

　　中小型电器：许多电器不需要先进的电机控制，但会受益于更简单的电机控制以及 Kinetis 技术中的其他功能，例如，高端咖啡机可以在水泵中配备电机控制器或一体式咖啡研磨机。

　　玩具：从振动到机器人运动，许多玩具都使用简单、经济高效的电机。

　　工业控制：尽管许多工业控制系统是分布式的并且依赖于处理器网络，但具有成本效益或多用途的工业面板可以包括用于小型传送带、风扇或泵等的嵌入式 BLDC 控制器。

　　结论

　　飞思卡尔在电机控制市场拥有创新历史，将 Kinetis 系列添加到电机控制解决方案组合中；飞思卡尔继续扩大其选择范围以满足各种客户要求。

　　受市场对降低功耗、噪音和提高效率的持续需求的推动，BLDC 电机的使用量不断增加。飞思卡尔致力于提供有针对性的解决方案，帮助客户在其应用中快速实施电机控制，无论是在工厂自动化市场、电器还是医疗领域。我们了解客户面临的挑战，并且随着产品和支持解决方案的不断增加，我们努力让客户快速有效地进入市场。

　　Kinetis MCU 系列代表了行业许多领域中大量电机控制应用的绝佳选择。飞思卡尔推出具有 DSP 功能的 120-150 MHz ARM® CortexTM-M4 内核，以及单周期 MAC、单指令多数据 （SMID） 扩展和单精度浮点单元等特性，支持电机控制应用所需的密集数学处理算法。专为承担电机控制任务而设计的关键模块，例如飞思卡尔的 FlexTimers，总共提供多达 20 个通道。硬件死区时间插入和正交解码以及精确的 ADC 转换模块使 Kinetis 系列能够满足您的许多电机控制需求。