成本經(jīng)濟的低噪聲有刷直流電機控制解決方案

　　有刷直流(BDC)電機廣泛被用于多種應用中，包括許多小型設備和小家電。傳統(tǒng)上，小型設備/家電市場采用模擬控制方法來驅(qū)動BDC電機。低成本單片機解決方案為BDC電機控制帶來方法的重大革新。BDC電機結(jié)合帶有智能的單片機即增強了此類小型設備的功能，同時又提高了能源效率。

　　本文描述了BDC電機的基本工作原理和應用。此外，本文還給出了采用單片機的一種低成本實用BDC電機控制方案。在BDC電機中采用高效的單片機設計可以獲得運行噪聲小、速度和扭矩控制精度高的低成本解決方案。

　　有刷直流(BDC)電機的工作原理

　　圖1示出的是BDC電機的基本構(gòu)造。圖中畫出的組件包括定子、轉(zhuǎn)子、電刷和換向器。定子和轉(zhuǎn)子磁場相互作用驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)。有刷直流電機的類型根據(jù)電機定子或外殼中磁場的產(chǎn)生方式來劃分。根據(jù)有刷直流電機的類型，定子磁場可以由永磁鐵或定子中的繞組產(chǎn)生。對于后一種情況，定子繞組與轉(zhuǎn)子繞組可以是并行、串行、或混合方式連接。這三種有刷直流電機分別稱為并激電動機、串激電動機和復激電動機。

　　定子產(chǎn)生靜止磁場。這一靜止磁場圍繞在電樞(或稱轉(zhuǎn)子)的周圍。外加電源激發(fā)出電樞磁場。BDC電機軸上還有兩個圓弧形的銅片，稱為換向片。電機轉(zhuǎn)動時，碳質(zhì)的電刷在換向器上滑動。這樣就可以產(chǎn)生一個與定子的靜止磁場相吸引的旋轉(zhuǎn)磁場。電樞和定子繞組中的電流由電池或其它直流電源供給(永磁BDC電機沒有定子繞組)。電池(或直流電源)提供恒定的直流電壓。電壓幅度決定了電機的轉(zhuǎn)速，因此是電池或直流電源是一個線性激勵源。改變BDC電機速度的最有效方式是采用脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)。PWM技術(shù)是以固定的頻率開關恒壓源。改變PWM信號的脈沖寬度可以調(diào)節(jié)電機的速度。脈沖高低電平間的比例稱為PWM信號的占空比。直流電池電平的幅度等于PWM信號的平均幅度。

　　應用實例：單片機/電機控制實例

　　單片機設計中帶有內(nèi)建的外設，因此只需要最少量的外部元器件就可以容易地實現(xiàn)BDC電機的速度和方向控制。PIC16F684是一款14引腳單片機，對于低成本雙向BDC電機控制非常理想。之所以選擇PIC16F684 做為例子，是因為這款單片機帶有內(nèi)建的外設，只需要最少量的外部元器件就可以容易地實現(xiàn)BDC電機的速度和方向控制。這款單片機的兩大特點對于BDC電機控制非常有用。首先，片上內(nèi)建有增強捕獲/比較/PWM(ECCP)模塊，當配置為全橋模式時，可以提供直接驅(qū)動H橋電路所需要的PWM信號。H橋電路可以為電機提供雙向電流驅(qū)動。PIC16F684第二個非常適合電機控制器的特點是可以產(chǎn)生頻率高達31.2 kHz的8位PWM信號。對于電機控制應用來說，這一點很重要，因為低于20 kHz的頻率會導致電機產(chǎn)生人聽覺范圍內(nèi)的噪聲。不需要增加任何外部時鐘源，PIC16F684 就可以提供高于聽覺頻率的8位分辨率。為了獲得高出聽覺頻率范圍的頻率，此前的單片機需要在運行時降低PWM的分辨率。與其它具備ECCP的單片機相比，PIC16F684體積小且成本效率高。利用片上ECCP模塊做為PWM硬件發(fā)生器，而不是采用過去的軟件解決方案，寶貴的單片機處理器資源可以用于完成其它任務。

　　此類應用中使用的片上外設除ECCP模塊外，還有一個內(nèi)部10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。ECCP有捕獲模式(可捕獲定時器寄存器的16位值)、幾個比較器和4個PWM。在無傳感器的BDC電機控制應用中，4個PWM通道是一個重要優(yōu)勢。如圖2所示，配合外部橋和4個FET驅(qū)動器件，單片機的PWM模塊可以容易地實現(xiàn)雙向電機控制。

　　圖2中的低成本BDC電機控制系統(tǒng)在全橋PWM模式下使用ECCP。用戶可容易地配置PWM占空比，并實時改變單片機內(nèi)部振蕩器。此外，利用單片機片上的一個10位ADC來測量反向電動勢(EMF)，PIC16F684可以容易地跟蹤電機的轉(zhuǎn)速(RPM)。

　　本應用中的硬件有三個主要部分。一個電源級、一個通信模塊(RS-232)和一個RPM及電流測量級。電源級包括提供BDC電機雙向控制的全H橋。PIC16F684通過RC2、RC3、RC4和RC5引腳連接到H橋。從RA5引腳通過一個RS-232端口可以將有關PWM占空比、單片機振蕩器速率、電機RPM和電流值等指令和信息發(fā)送給計算機。雖然實際生產(chǎn)出來的設備很可能并沒有這樣一個通信接口，但在開發(fā)階段這樣一個通信接口非常有用。在實際產(chǎn)品中，RA5可以被賦予不同的用途，如點亮狀態(tài)指示LED或者讀取電位計輸入。

　　通過測量電機的反向EMF電壓，不需額外傳感器即可以獲得電機轉(zhuǎn)速(RPM)。電機轉(zhuǎn)速與反向EMF電壓直接成正比。BDC電機是一種感性負載。電機上感生的電壓等于電機電感乘以dI/dt 。將對應FET關斷(OFF)即可以測量反向EMF電壓。這會產(chǎn)生一個反方向流過電機的電流。PIC16F684中的ADC模塊可以測量出EMF電壓。

　　通過測量MOSFETs、QB 和 QD, 以及地之間電流檢測電阻上的高端電壓可以獲得電流值。 選擇適當?shù)碾娮柚禃r需要考慮最大電流和功耗。PWM信號驅(qū)動BDC電機。H橋電路僅在PWM信號處于高電平時才吸收電流。采用一個采樣和平均算法在多個PWM周期測量結(jié)果的基礎上算出電流值和電機轉(zhuǎn)速。

　　對低成本高能效BDC電機解決方案感興趣的Microchip公司主要客戶對于PIC16F684外設的定義做出很大貢獻。目前，Microchip正與幾大設備生產(chǎn)商合作，他們迫切希望將現(xiàn)有BDC電機控制電路更換為更為智能和先進的單片機解決方案。