为小型马达控制应用选择最合适的微控制器

上网时间: 2005年06月06日? 作者:Ken Berringer? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:小型马达控制? 马达控制? 微控制器?

许多应用中都能看到功率低于300W的小型马达,包括汽车、打印机、复印机、进纸机、工厂自动化、航天和军事载具、测试设备和机械人。马达生产数量约与其功率成反比,因此小型马达的生产数量远高于大型马达。最受欢迎的小型马达为直流马达、无刷直流马达和步进马达。

马达控制专用数字信号处理器 (DSP) 主要支持大型离线马达 (off-line motor),其成本对于小型马达控制系统通常太高,这使得小型通用微控制器在多数情形下已成为小型马达控制应用的最低成本解决方案。选择马达控制应用的微控制器时,许多有助于系统的功能规格都应列入考虑,因此在为这类应用选择最适合的微控制器时,逐一评估这些功能规格就显得非常重要。

定时器选择

简单的步进马达可能只需要一个通用定时器,直流马达和无刷直流马达则需要脉冲宽度调制 (PWM) 定时器控制马达转速。分辨率和频率是PWM定时器的重要特色,其频率应大于马达线圈的时间常数,并且超出人耳听觉范围;但频率也不能太高,才能将开关损耗减至极小。16至24 kHz之间的PWM频率最适合小型马达。

8位的PWM分辨率对于大多数应用已经足够 - 若应用只需几种转速,8位分辨率就能满足要求。对于转速范围小于10比1的闭回路控制,8位分辨率也能应付自如。若应用要求更大转速范围的闭回路控制或超过1%的精确调速能力,就必须使用更高的分辨率。20 kHz的10位PWM分辨率需要20 MHz以上的高速系统时钟。

Silicon Laboratories公司的C8051F300微控制器产品系列的可编程计数器阵列提供8位PWM模式,它以24.5 MHz系统时钟频率工作时可将8位PWM频率设成8、24或96 kHz;利用T0溢出 (overflow) 作为PCA时钟源则可得到16.0或19.1 kHz的8位PWM频率。若应用需要更高分辨率,这颗PCA还能进入高速输出模式并产生20 kHz的10位PWM讯号。

不同的小型马达应用需要不同的PWM信道数目。单向转动的简单直流马达驱动器只需要一个PWM,具备反转能力的直流马达驱动器则需两组PWM信道或一组PWM搭配双输出复用器。无刷直流马达需要三组PWM信道或单信道PWM搭配三输出复用器。C8051F300微控制器系列采用一种优先交叉配置架构,它会以复用器方式提供一个PWM给多路输出,使应用所需的PWM信道减至最少,软件设计也大幅简化。

模拟数字转换器和支持

大多数的小型马达控制应用都需要模拟数字转换器,它可内建于芯片或使用外部零件;除了测量马达电压、直流链电压,马达电流、转速计电压和转速控制电位计之外,模拟数字转换器还能用来测量系统控制变量,例如温度、气流和位置。马达控制系统所重视的模拟数字转换器参数包括分辨率、取样速率、信道数目、电压参考和差动测量能力,这类应用所需的分辨率是由反馈和控制系统的动态范围决定,一颗8位模拟数字转换器已能满足转速控制电位计和直流链电压的测量需求,马达电压、马达电流和转速计电压可能需要很大的动态范围。若应用要求100到1转速范围的调速能力,系统就必须在只能使用模拟数字转换器一小部份工作范围的情形下保持稳定,例如8位模拟数字转换器以1%满刻度测反馈参数时只能提供2.5次读数,10位模拟数字转换器则提供20次有用读数。

为小型马达控制应用选择最合适的微控制器_ESMCOL_1

图1:马达控制应用经常采用的小型微控制器

马达电流的测量尤其容易发生问题,它通常会以阻抗很小的感测电阻搭配外接的运算放大器,然后利用差动测量取得精确的测量结果,但这类电路极易受到噪声影响。高取样速率的模拟数字转换器和高速处理核心可用来执行超取样和均值计算,这种方式在出现马达噪声时仍能精确测量马达电流。

电源供应噪声是马达控制电路的常见问题,片内电压参考对于温度和电流等参数的绝对测量非常有用,还能协助模拟数字转换器提供胜过使用VDD电源的更高精确度和更低噪声。在某些极为重视成本的应用中,设计人员还能以低参考电压搭配芯片内的可编程增益放大器,省下原本需要的外接电流感测运算放大器。

对于需要由硬件提供过电流或过热保护的马达控制应用,片内比较器也极有帮助,它能用来产生中断或捕捉定时器事件,对于测量无刷直流马达应用的马达电压或反电动势零值交叉也有很大帮助,这需要三组比较器或是一组比较器搭配三输入复用器。

系统内通信

小型马达通常是较大型系统的一部份,故需通信外围让负责马达控制的微控制器发出或接收控制及命令。小型马达可能采用类似于个人计算机风扇或电路板系统的SMBus或I2C接口,复杂系统也可能以SPI总线作为两颗或多颗微控制器间的通信管道。SPI总线还能用于SPI外围装置,例如串行式EEPROM、实时时钟或外接的模拟数字转换器。小型马达控制系统也会使用以UART为基础的协议,例如RS232、RS485和LIN总线。

受到引脚数目限制,有些微控制器只提供UART或SPI之一,其它产品则必须在SPI以及SMBus或是I2C之间做出选择。虽然有可能以软件仿真这些外围之一,但在复用器马达控制系统中仿真外围通常并不切实际。C8051F300微控制器系列采用优先交叉配置架构,设计人员可利用它选择终端应用所需的通信外围。

I/O引脚数决定体积

I/O引脚数目对于封装体积和微控制器的选择影响很大。引脚总数是由马达类型、PWM输出,模拟输入、通用I/O引脚和通信外围决定。小型直流马达系统可能只需11只或更少的接脚,无刷直流马达系统通常则要20或28只接脚。典型的8引脚SOIC微控制器仅提供6只I/O接脚,小型微引线架封装(MFP)则能在更小面积中提供更多接脚。C8051F300封装体积仅是SO8的四分之一,却可在3×3厘米面积内提供8只I/O接脚。设计人员为马达控制应用选择小型微控制器时,必须将许多重要的微控制器特性列入考虑,例如PWM定时器、模拟数字转换器支持、芯片内建电压参考、芯片内建比较器、通讯外围、I/O接脚以及弹性的模拟和数字多任务能力,这样才能让他们的马达控制应用设计发挥最大效能。

作者: Ken Berringer,Silicon Laboratories公司

标签 MCU?? 马达??

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