發布日期：2022-07-14 點擊率：46
在能源短缺及嚴苛環保要求雙重壓力下，更高能效、更出色動態性能和更低運行噪聲，已成為電機驅動設計的必然趨勢。因此，從傳統AC電機設計轉換到在效率、噪聲、重量、壽命等方面更具備優勢的無刷直流電機(BLDC)/步進電機(SM)，也正成為電機控制應用設計人員目前追逐的熱點。
120°直流無刷電機和步進電機控制方式
眾所周知，3個霍爾傳感器之間的間隔是120°，每個霍爾信號依據旋轉磁極的方向進行切換。根據3個霍爾信號的狀態，就能在每60°(每個周期有6 種模式)得到一次位置信息。如果每相的導通模式按照該時序進行改變切換，那么旋轉磁通就會按下圖那樣產生，從而轉子得到力矩并且旋轉。
圖1 六種導通模式和轉子位置的范圍
電機旋轉速度的計算，是從當前定時器的計數值和2π[rad]之前的定時器計數值之差得到的。定時器計數值是通過霍爾信號觸發的外部中斷獲得，在此期間定時器TAU一直進行自由計數。這種測速方法，即使3個霍爾傳感器存在位置偏差，也同樣適用。
為了啟動電機并且獲取轉子的位置信息，需要向電機提供一個60°的啟動時序。以此觸發霍爾信號對應的外部中斷，并不斷進行換相控制，從而讓電機轉動起來。而任意時刻(n)占空比的調整值由以下公式計算得到，從而實現電機旋轉速度的調節。
步進電機則是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制電機。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，不受負載變化的影響。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的，也可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。
圖2 步進電機原理
專為中國市場設計
針對中國日漸成熟的電機控制應用，瑞薩電子推出了多款專門面向中國市場的MCU產品，旨在通過最低的功耗，增強的計算能力和外圍設備功能，實現高處理性能。
R7F0C009系列
R7F0C009是瑞薩電子面向電動自行車、電動工具、家用電器等需要控制直流無刷電機的應用專門研發的少管腳單片機。采用RL78內核，不僅擁有高精度(±2%)片上振蕩器、24MHz工作頻率的CPU，以及其他標準內置功能，還采用了來源于R8C家族的乘除法器和乘累加指令功能，帶有可證實追尋記錄，如定時器RD/RJ、事件鏈接控制器、1路運算放大器、2路模擬比較器，能以更低的總體成本來構架系統，實現更緊湊的體積和更低功耗。
圖3 R7F0C009模塊框圖
該系列MCU配置為30-44管腳，最大16K Flash，片內集成了最多12通道ADC和用于三相PWM驅動的電機控制專用定時器RD。由于能夠輸出3對正和反相不重疊的PWM波形，特別合適用于直流無刷電機。
圖4 電機控制專用定時器RD用于三相PWM驅動
事件鏈接控制器(ELC)可以在CPU不干預的情況下利用定時器觸發(自動/延遲)A/D采樣，提高電機控制的性能。
圖5 事件鏈接控制器(ELC)功能
R7F0C009 MCU還集成了可編程增益放大器和比較器，支持2通道比較(高/低速可選)、高速遠行模式(電機電流反饋，防止過流保護)和低功耗低速遠行模式(電池檢測)，可用于電流監察保護。
圖6 R7F0C009獨有的可編程增益放大器/比較器
除此之外，MCU的多數管腳可以支持40mA的大電流輸出，可以減少外部驅動元件的數量，進一步降低成本。瑞薩電子同時為電機控制單片機提供電動自行車控制器和直流無刷電動工具的參考設計，縮短客戶的入門時間和產品開發周期。
R7F0C014系列
R7F0C014系列微控制器的目標市場鎖定在逆變電機控制、軟件調制解調器、家用電器、移動設備、醫療及保健設備及其他消費類電子、辦公設備、工業設備等領域。該系列同樣采用RL78 內核，提供32管腳LQFP(管腳間距)和64管腳(和 管腳間距)封裝。
R7F0C014不僅擁有高精度(±1%)片上振蕩器、32MHz工作頻率的CPU，以及其他標準內置功能，還采用了比RL78/G13系列處理速度更快并來源于R8C家族的乘除法器和乘累加指令功能，帶有可證實追尋記錄，如可用于三相PWM驅動的定時器RD/RG、數據傳送控制器、事件鏈接控制器，能以更低的總體成本來構架系統，實現更緊湊的體積和更低功耗。
除此之外，還支持寬電壓工作(工作電壓)，并內置了大量功能支持功能性安全(如A/D轉換器測試功能)，以及大容量Flash(128KB Flash，8KB RAM，8KB數據Flash)，用戶可以加入大量安全相關的代碼以符合IEC和安規需求。
圖7 R7F0C014模塊框圖
R7F0C806/807系列
R7F0C806/807系列微控制器具備高精度±2%片上振蕩器(TA = 0 + 40℃)，從而使CPU運行達到20 MHz成為可能，同時內置了可選上電復位和看門狗定時器等功能，有助于系統實現更緊湊的尺寸和低功耗，使整個系統搭建成本更低。此外，R7F0C806/807內置實時輸出控制電路，通過定時器的PWM輸出方式可以同時實現8通道輸出，有助于客戶進行無刷直流電機控制和步進電機控制(同一時間控制兩個)開發。
該系列產品具有20個引腳的SSOP和SOP封裝，以及4 KB-8 KB的閃存陣容，更適合于小型家用電器以及通用消費產品應用。
圖8 R7F0C806/807模塊框圖
在實際應用中，通過使用TAU的PWM 輸出功能，可實現一個直流電機或者兩個步進電機的控制;通過產生因INTP0引起的中斷，能截斷輸出;通過軟件的設定，能從強制截斷時進行Hi-Z輸出、低電平輸出、高電平輸出以及禁止截斷輸出的4種輸出中進行選擇。
圖9 R7F0C806/807實時輸出控制電路
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