基于灵动微 MM32SPIN360C 的低压无刷电机应用方案

近年来，无刷直流电动机在现代社会的众多领域中得到广泛应用，包括电动汽车、家用电器、办公自动化、工业控制、医疗器械等领域都有它的身影。它除了保持有刷直流电动机优越的启动性能和调速性能外，其最大的特点就是没有换向器和电刷组成的机械接触结构，因而具有低损耗、高效率、寿命长、噪声低、运行可靠、维护简便等一系列优点。

       虽然无刷直流电机有诸多优点，但是在控制上却有一定难度。无刷直流电机的机械结构简单，这就要求驱动电路要有一定的复杂度，并且需要由 MCU 产生电机所需要的波形来控制电机的转动。

     汇英同创针对低压无刷电机，推出基于灵动微 MM32SPIN360C 的无刷电机驱动方案。此方案采用的 MM32SPIN360C 内部集成了一部分驱动电路，所以方案的外围电路比较简单。适用于多种应用场合，比如空气净化器、服务器风机、吊扇、落地扇、电动手工具、吸尘器、无人机电调、小型水泵等。

MM32SPIN360C 无刷电机开发板

主控

       主控 MCU 采用的是 灵动微 MM32SPIN360C，使用高性能的 ARM Cortex-M0 为内核的 32 位微控制器，最高工作频率可达 96 MHz，内置高速存储器，丰富的 I/O 端口和多种外设，包括：

128KB Flash，12KB SRAMB

包含 12 位的 ADC，采样速度高达 1Msps

5 个通用定时器、2 个针对电机控制的 PWM 高级定时器

1 个 I2C 接口、2 个 SPI 接口和 2 个 UART 接口

针对电机应用内置 3 个运放，3 个比较器

内嵌经出厂调校的 48MHz 高速振荡器

内置预驱工作电压 7V ∼ 48V

5V LDO 稳压器，输入电压最高 13.5V

提供 QFN48 封装

       MM32SPIN360C 框图如下图所示：

图 2 .  灵动微 MM32SPIN360C 框图

N-MOSFET

       电机驱动部分，方案采用 6 颗 N-MOS 管来做电机的电子换相控制。芯片采用的是国产的 体积小、功耗低、漏源电压（VDSS）可以达到 60V，连续漏电流（Id）可以达到 42A，开关频率可以达到 30KHz 以上。

电源

       方案采用的电源芯片是圣邦微的 LDO： SGM2225-ADJ，其特点如下：

宽电压输入 Vin：3.6~36V

输出电压可调 Vout：1.8V~15V

最大输出电流 Iout：800mA

低噪音、低损耗电压

封装小，最小封装大小为 3*3mm

过流/短路保护

过热保护

工作温度范围：-40~+125℃

     驱动软件说明：

        方案的软件部分采用灵动微的 FOC 软件库架构，整个软件结构清晰易懂。软件采用双环控制（电流环+速度环），矢量控制的框图如下图所示：

图 3 .  电机矢量控制框图

SVM

       空间矢量脉宽调制（SVM）是 FOC 的基础，是根据其所在扇区选择非零矢量与零矢量合成而成，有五段式、七段式、混合式。七段式开关次数较多，但谐波较小；五段式开关次数是七段式的一半，但谐波较大。

       代码采用的是七段式。其实现流程大致如下：

             ① 判断合成矢量所在扇区

             ② 计算相邻矢量作用时间

             ③ 计算各桥臂导通时间

             ④ 得到各相PWM占空比

             ⑤ 更新相应寄存器值

Current Sensing

       在电流环，软件中的电流采样选择双电阻采样，通过采样 V 和 W 相的下桥臂电阻上的压降，再用基尔霍夫电流定律计算第三相（U 相）的电流。

图 4 .  电流采样原理

SMO+PLL

       在速度环，软件采用基于滑膜观测器（SMO）和锁相环（PLL）方法对电机转子的速度估计与控制。

软件架构介绍

       灵动微的 FOC 软件结构如下图所示，这套软件具有如下特点：          

             ① 时序清晰 —— 仅使用一个常用中断，减少可能的时序冲突和 BUG。

             ② 便于移植 —— 算法层、驱动层、数学库完全独立，软硬件配置完全剥离，互不干扰。

             ③ 定标统一 —— 统一 Q15 小数定标。

             ④ 函数模块化 —— 逻辑清晰的状态机，简洁明了的状态切换。

             ⑤ 配置方便 —— 主要参数配置意义明确，可视化