基于硬件的无刷直流电机

　　很显然，今天的无刷直流(BLDC)电机取代了从空调到遥控车的任何其它电机，带来了高效和可靠性的优势。无刷直流电动机的成本在过去10年来大大下降，从而使用率急剧攀升。控制带传感器的无刷直流电机有些简单，大部分微控制器能够实现。不过，在需要高RPM的应用中，例如纺织机、遥控汽车、工业控制，CPU会被持续的高优先级中断占用，随电机速度的升高而频率增加。只要微控制器的唯一功能是控制电机，就会很容易。但是，如果必须执行其它时序/CPU密集型功能，这可能会产生问题。本文将介绍一种仅由硬件实现的电机换相方法，使CPU不再承担维持电动机速度的负担，使其不再执行其它功能，例如射频通信，数据加密或三维位置计算等功能。此方法还可以轻松地以不同的速度驱动多个电机，从而可以为需要多个电机、使用多个专用微控制器的应用降低BOM。

　　显然，今天的无刷直流电机已成为在效率、可靠性和性能至关重要的应用时最广泛使用的发动机之一。符合能源之星标准，推动了洗衣机、干衣机、空调、冰箱等白色家电的发展，其使用无刷直流电机提高了工作效率。工业自动化设备、电动自行车、水泵、无线电遥控车和其它许多产品也已经开始使用无刷直流电机。

　　当进行电机控制设计时，工程师可以选择固定功能的电机控制IC或微控制器(MCU)。在许多设计中，工程师选择了微控制器，因为它们设计灵活，并且将其它各种功能包括用户接口(按钮、开关和显示器)通信(UART以及SPI)功能都集成到芯片里。由于大量的高优先级中断需要用来控制电机，所执行的外围功能被限制到减缓、非CPU密集型功能。如果终端设备需要数据加密、矢量分析或其它类型的CPU密集型功能，工程师可能需要使用更快的(更昂贵的)的微控制器，或将设计切分为电机控制部分的专用微控制器和设备中所需的其它功能应用的微控制器。因此这个解决方案对工程时间、电路板空间和整体BOM方面的要求较高。本文将介绍一种只需硬件实施的电机控制方法，使CPU不再承担定期中断的负担，从而能够执行其它功能，并允许将所有设计集成到单一微控制器中。

　　要理解为什么BLDC电机控制如此强调中断，就需考虑微控制器如何控制它。在BLDC电机中，如图1所示，换相(电机的旋转)为电动控制。电机要求定子绕组按照特定的序列加电。为了实现该序列，知道转子位置很重要。通过使用传感器来实现，如霍尔效应传感器(传感器控制)，或通过感应反电势(无传感器控制)。霍尔效应传感器嵌入在定子中。当转子磁极在霍尔传感器附近通过时，提供一个高或低信号，表明南极或北极正从附近通过。转子的位置通过三个霍尔传感器信号的准确组合来导出。

　　无刷直流电机配置一个由南北极组成的永久磁铁转子。对定子绕组通电，以产生期望位置的磁极。

　　转子北极吸引绕组南极和/或排斥北极。

　　在北极/南极对正前，下一个绕组通电，使电机保持转动(参见图2)。

　　微控制器通过启用和禁用按照要求的序列提供通过绕组的电流的外部电源设备使无刷直流电机保持旋转。有效换相要求按照电动机的旋转需要的序列提供绕组电流通电定时。对于配置传感器的无刷直流电机控制，每次霍尔传感器的状态变化时就会产生中断，这表明电机已进入下一个换相状态。此时，CPU必须根据它刚刚进入的状态，确定启用和禁用的PWM输出。电机旋转得越快，CPU中断发生得越频繁。换相状态中断必须处于高优先级，并迅速执行，以确保平稳的旋转，并保持对电机速度的控制。

　　传统的步进换相需要微处理器服务中断6次来完成一个电周期。大多数电机在定子周围布置了多对磁极对，每次旋转需要多个电周期(和更多的中断)。这样增加了处理器的负担，并限制了最高转速。硬件控制的换相释放了处理器的负载，从而可以运行其它任务，允许非常高的旋转速度，将更高级的系统功能集成到微控制器中。在该实现中，CPU随每次中断进行的换相功能被映射到可配置的不需要CPU参与便对电机旋转进行控制的模拟和数字资源。这样消除了中断，并使得电机控制功能几乎完全自主。图3显示了如何将需要用来控制无刷直流电机的各种功能直接映射到可以实现仅由硬件实现换相的微控制器源。