很顯然，今天的無(wú)刷直流(BLDC)電機(jī)取代了從空調(diào)到遙控車(chē)的任何其它電機(jī)，帶來(lái)了高效和可靠性的優(yōu)勢(shì)。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的成本在過(guò)去10年來(lái)大大下降，從而使用率急劇攀升?？刂茙鞲衅鞯?a class="contentlabel" href="http://m.ptau.cn/news/listbylabel/label/無(wú)刷直流電機(jī)">無(wú)刷直流電機(jī)有些簡(jiǎn)單，大部分微控制器能夠?qū)崿F(xiàn)。不過(guò)，在需要高RPM的應(yīng)用中，例如紡織機(jī)、遙控汽車(chē)、工業(yè)控制，CPU會(huì)被持續(xù)的高優(yōu)先級(jí)中斷占用，隨電機(jī)速度的升高而頻率增加。只要微控制器的唯一功能是控制電機(jī)，就會(huì)很容易。但是，如果必須執(zhí)行其它時(shí)序/CPU密集型功能，這可能會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。本文將介紹一種僅由硬件實(shí)現(xiàn)的電機(jī)換相方法，使CPU不再承擔(dān)維持電動(dòng)機(jī)速度的負(fù)擔(dān)，使其不再執(zhí)行其它功能，例如射頻通信，數(shù)據(jù)加密或三維位置計(jì)算等功能。此方法還可以輕松地以不同的速度驅(qū)動(dòng)多個(gè)電機(jī)，從而可以為需要多個(gè)電機(jī)、使用多個(gè)專(zhuān)用微控制器的應(yīng)用降低BOM。

　　顯然，今天的無(wú)刷直流電機(jī)已成為在效率、可靠性和性能至關(guān)重要的應(yīng)用時(shí)最廣泛使用的發(fā)動(dòng)機(jī)之一。符合能源之星標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)了洗衣機(jī)、干衣機(jī)、空調(diào)、冰箱等白色家電的發(fā)展，其使用無(wú)刷直流電機(jī)提高了工作效率。工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備、電動(dòng)自行車(chē)、水泵、無(wú)線電遙控車(chē)和其它許多產(chǎn)品也已經(jīng)開(kāi)始使用無(wú)刷直流電機(jī)。

　　當(dāng)進(jìn)行電機(jī)控制設(shè)計(jì)時(shí)，工程師可以選擇固定功能的電機(jī)控制IC或微控制器(MCU)。在許多設(shè)計(jì)中，工程師選擇了微控制器，因?yàn)樗鼈冊(cè)O(shè)計(jì)靈活，并且將其它各種功能包括用戶(hù)接口(按鈕、開(kāi)關(guān)和顯示器)通信(UART以及SPI)功能都集成到芯片里。由于大量的高優(yōu)先級(jí)中斷需要用來(lái)控制電機(jī)，所執(zhí)行的外圍功能被限制到減緩、非CPU密集型功能。如果終端設(shè)備需要數(shù)據(jù)加密、矢量分析或其它類(lèi)型的CPU密集型功能，工程師可能需要使用更快的(更昂貴的)的微控制器，或?qū)⒃O(shè)計(jì)切分為電機(jī)控制部分的專(zhuān)用微控制器和設(shè)備中所需的其它功能應(yīng)用的微控制器。因此這個(gè)解決方案對(duì)工程時(shí)間、電路板空間和整體BOM方面的要求較高。本文將介紹一種只需硬件實(shí)施的電機(jī)控制方法，使CPU不再承擔(dān)定期中斷的負(fù)擔(dān)，從而能夠執(zhí)行其它功能，并允許將所有設(shè)計(jì)集成到單一微控制器中。

　　要理解為什么BLDC電機(jī)控制如此強(qiáng)調(diào)中斷，就需考慮微控制器如何控制它。在BLDC電機(jī)中，如圖1所示，換相(電機(jī)的旋轉(zhuǎn))為電動(dòng)控制。電機(jī)要求定子繞組按照特定的序列加電。為了實(shí)現(xiàn)該序列，知道轉(zhuǎn)子位置很重要。通過(guò)使用傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，如霍爾效應(yīng)傳感器(傳感器控制)，或通過(guò)感應(yīng)反電勢(shì)(無(wú)傳感器控制)?；魻栃?yīng)傳感器嵌入在定子中。當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極在霍爾傳感器附近通過(guò)時(shí)，提供一個(gè)高或低信號(hào)，表明南極或北極正從附近通過(guò)。轉(zhuǎn)子的位置通過(guò)三個(gè)霍爾傳感器信號(hào)的準(zhǔn)確組合來(lái)導(dǎo)出。

　　無(wú)刷直流電機(jī)配置一個(gè)由南北極組成的永久磁鐵轉(zhuǎn)子。對(duì)定子繞組通電，以產(chǎn)生期望位置的磁極。

　　轉(zhuǎn)子北極吸引繞組南極和/或排斥北極。

　　在北極/南極對(duì)正前，下一個(gè)繞組通電，使電機(jī)保持轉(zhuǎn)動(dòng)(參見(jiàn)圖2)。

　　微控制器通過(guò)啟用和禁用按照要求的序列提供通過(guò)繞組的電流的外部電源設(shè)備使無(wú)刷直流電機(jī)保持旋轉(zhuǎn)。有效換相要求按照電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)需要的序列提供繞組電流通電定時(shí)。對(duì)于配置傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)控制，每次霍爾傳感器的狀態(tài)變化時(shí)就會(huì)產(chǎn)生中斷，這表明電機(jī)已進(jìn)入下一個(gè)換相狀態(tài)。此時(shí)，CPU必須根據(jù)它剛剛進(jìn)入的狀態(tài)，確定啟用和禁用的PWM輸出。電機(jī)旋轉(zhuǎn)得越快，CPU中斷發(fā)生得越頻繁。換相狀態(tài)中斷必須處于高優(yōu)先級(jí)，并迅速執(zhí)行，以確保平穩(wěn)的旋轉(zhuǎn)，并保持對(duì)電機(jī)速度的控制。

　　傳統(tǒng)的步進(jìn)換相需要微處理器服務(wù)中斷6次來(lái)完成一個(gè)電周期。大多數(shù)電機(jī)在定子周?chē)贾昧硕鄬?duì)磁極對(duì)，每次旋轉(zhuǎn)需要多個(gè)電周期(和更多的中斷)。這樣增加了處理器的負(fù)擔(dān)，并限制了最高轉(zhuǎn)速。硬件控制的換相釋放了處理器的負(fù)載，從而可以運(yùn)行其它任務(wù)，允許非常高的旋轉(zhuǎn)速度，將更高級(jí)的系統(tǒng)功能集成到微控制器中。在該實(shí)現(xiàn)中，CPU隨每次中斷進(jìn)行的換相功能被映射到可配置的不需要CPU參與便對(duì)電機(jī)旋轉(zhuǎn)進(jìn)行控制的模擬和數(shù)字資源。這樣消除了中斷，并使得電機(jī)控制功能幾乎完全自主。圖3顯示了如何將需要用來(lái)控制無(wú)刷直流電機(jī)的各種功能直接映射到可以實(shí)現(xiàn)僅由硬件實(shí)現(xiàn)換相的微控制器源。