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無(wú)刷直流和無(wú)刷交流等先進(jìn)的電機控制技術(shù)已廣泛用于各種工業(yè)應用之中，這種技術(shù)與通用交流電機控制技術(shù)相比具有多種優(yōu)勢：效率更高、耐用性更佳、電機成本更低。另一方面，用于驅動(dòng)電機的電子組件變得日益復雜，結果提高了系統總成本。 白電市場(chǎng)作為價(jià)格驅動(dòng)特征十分明顯的細分市場(chǎng)，在洗衣機、洗碗機等家電中應用“新型”電機控制方式顯得尤為謹慎。目前，廣為人知的傳統控制仍是市場(chǎng)的首選，但是近幾年來(lái)，尤其是在半導體價(jià)格逐年下降的背景下，該市場(chǎng)所使用的技術(shù)已悄然發(fā)生變化。 恩智浦作為一家工業(yè)應用半導體供應商，其產(chǎn)品覆蓋面十分廣泛，包括通用應用產(chǎn)品（整流器、齊納二極管等）、邏輯和電源產(chǎn)品（雙向可控硅、電源IC）以及接口和微控制器產(chǎn)品等。 如今，無(wú)刷直流電機(BLDC)已取代傳統的有刷直流(BDC)電機，廣泛用于各種應用之中。 無(wú)刷直流電機不但在效率和可靠性方面有上佳表現，而且擁有更低的噪聲、更輕的重量和更長(cháng)的使用壽命，還消除了換向器火花，減少了總體電磁輻射，因而在白電、暖通空調及工業(yè)應用領(lǐng)域日益受到追捧。 與多數電機控制相同，無(wú)刷直流電機控制器由控制單元和電源單元構成，恩智浦同時(shí)為這兩個(gè)單元提供極具競爭力的解決方案。本文將重點(diǎn)討論恩智浦針對功率300W、電壓12-30V的無(wú)刷直流電機開(kāi)發(fā)的演示板。轉子定向反饋利用霍爾傳感器確定，并通過(guò)個(gè)人電腦采用CAN或UART方式與外界相連。 圖1 Cortex-M0內核是ARM在2009年發(fā)布的最新內核之一，也是市場(chǎng)上體積最小、功耗最低、最節能的ARM處理器，能夠以8位產(chǎn)品的價(jià)格實(shí)現32位產(chǎn)品的性能，為從8位架構跳過(guò)16位架構、直接移植到32位架構創(chuàng )造了可能。 ARM Cortex-M0內核基于A(yíng)RMv6-M架構，采用包含Thumb-2技術(shù)的所謂Thumb指令集。 Thumb指令集可以基于16位指令實(shí)現32位運算，因而為減小代碼大小提供了可能。 Thumb ISA（指令集架構）僅包括56條指令，每條指令均保證執行時(shí)間。從這個(gè)角度來(lái)看，Cortex-M0可提供完全可以確定的響應時(shí)間。由于采用的是32位架構，因此，即使是16位指令，也可以用一條指令實(shí)現8位、16位或32位數據傳輸。 至于編程模型，Cortex-M0采用的是由13個(gè)通用寄存器（r0-r7 低寄存器和r8-r12 高寄存器）、3個(gè)特殊寄存器（堆棧指針、鏈接寄存器和程序計數器）和1個(gè)器件狀態(tài)指示寄存器（xPSR，程序狀態(tài)寄存器）構成的寄存器集，如下圖所示。 圖2 如前所述，所有指令均在固定時(shí)間內執行完畢。例如，數據處理指令在一個(gè)周期內完成，數據傳輸指令在兩個(gè)周期內完成，分支指令(branch)則在三個(gè)周期內完成。 除內核以外，Cortex-M0集成了一個(gè)可以處理中斷和系統異常的嵌套向量中斷控制器(NVIC)。Cortex-M0內核具有完全確定的中斷處理行為，默認值為16個(gè)周期，無(wú)抖動(dòng)。NVIC最多能處理32個(gè)優(yōu)先矢量。與Cortex-M3架構相同，這種架構支持尾鏈中斷（Tail chaining）和后到（Late arriving）中斷。 2009年，恩智浦半導體發(fā)布了LPC1100家族中的第一款產(chǎn)品，也是首款基于Cortex-M0內核的微控制器系列產(chǎn)品。 據Dhrystone測量結果，LPC1100系列可以提供0.9 DMIPS/MHz的運算能力。 根據基于嵌入式器件真實(shí)性能的Coremark (http://www.coremark.org)基準測試，恩智浦LPC1100系列取得了1.4 Coremark/MHz的高分，遠遠超過(guò)8位和16位產(chǎn)品市場(chǎng)的同類(lèi)產(chǎn)品。與此同時(shí)，減小的代碼尺寸還可以給用戶(hù)帶來(lái)性能上的提升。得益于Cortex-M0架構，開(kāi)發(fā)員平均可以節省40%左右的閃存利用空間。 由于極低的門(mén)數，基于Cortex-M0的器件可應用于低功耗應用之中，比如醫療設備、電子計量?jì)x器、電機控制、電池供電型傳感器等。ARM出品的Cortex-M系列處理器可支持多種功耗模式：睡眠模式、深度睡眠模式和省電模式。 LPC1100系列最高支持50 MHz的時(shí)鐘速率，屬于零延遲架構，集成簡(jiǎn)單的AHB-Lite接口�？驁D如下所示： 圖3 LPC111x集成了工業(yè)、消費、白電應用中嵌入式控制系統所需要的全部外設。閃存容量最高達32KB，價(jià)格65美分/片起（適用采用8K閃存的器件）。 針對無(wú)刷直流電機控制需要，LPC1100系列產(chǎn)品集成4個(gè)計時(shí)器（16位和32位各2個(gè)），共有13個(gè)匹配輸出，每個(gè)匹配輸出都可配置為PWM模式。其中6個(gè)PWM信號在演示板中用于驅動(dòng)MOSFET的高、低端。 LPC1100上的通用輸入/輸出(GPIO)具有較高的可配置特性，可用作在上升沿和下降沿激活或者兩個(gè)沿同時(shí)激活的外部中斷。轉子定向反饋通過(guò)這些GPIO中斷獲取。 圖4 LPC1100擁有一個(gè)8通道10位模數轉換器(ADC)，其中一個(gè)通道用作過(guò)流保護，其方法是通過(guò)一個(gè)分流電阻測量電機電流。 不用傳感器，通過(guò)在無(wú)刷直流電機換向過(guò)程中測量浮動(dòng)相位電壓，偵測轉子位置。這要求在獲取浮動(dòng)相位電壓時(shí)精確計時(shí)。在LPC1100中，模數轉換可通過(guò)四個(gè)計時(shí)器中兩個(gè)計時(shí)器的匹配事件來(lái)觸發(fā)。這樣可以減少CPU負荷，并在適當時(shí)刻精確捕捉浮動(dòng)相位。 為了與外界相連，LPC1100集成了UART和/或CAN接口。 為了進(jìn)一步支持無(wú)刷直流電機，恩智浦標準產(chǎn)品事業(yè)部于2009年推出了采用Trench技術(shù)的新一代（第六代）Mosfet，為工業(yè)部門(mén)提供了電機控制等多種應用支持。新型Trench 6 Mosfet產(chǎn)品具有以下優(yōu)勢：降低了低導通電阻RDS(ON)器件的Rspec - mΩ / mm2值，為快速開(kāi)關(guān)創(chuàng )造了條件；降低了柵極電荷和開(kāi)關(guān)損耗；低QG(tot)和低FOM，最大限度地提高了效率；將Tj(最大)提升至175C，為高可靠和高性能應用提供了大力支持。不斷擴大的產(chǎn)品組合將為電機控制應用提供完美支撐。 今后，我們的Cortex-M產(chǎn)品研發(fā)將支持無(wú)刷直流電機的磁場(chǎng)定向控制和U/f控制。這是我們微控制器系列研發(fā)理念的延續，我們一貫基于A(yíng)RM7、Cortex-M0、Cortex-M3、新型Cortex-M4等架構提供相似的外設IP、軟件兼容支持和輕松移植能力，彰顯了我們對這種理念的傳承。 這種策略不但使我們能夠針對不同電機控制方法在CPU性能和必要外設之間取得最佳平衡，而且能夠在各種項目中實(shí)現工具和軟件的循環(huán)利用（例如，為Cortex-M0編寫(xiě)的軟件模塊可以在Cortex-M3/M4微控制器中重復利用）。如此一來(lái)，我們的客戶(hù)不但可以大幅縮短上市時(shí)間，還能最大限度地減少工具投資（相同的IDE、調試和編程工具）。 |
