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追求外观小巧的电机控制设计




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  在今日空间有限的环境里,设计人员必须为其应用寻找功能丰富、体积精巧而整体效能强大的解决方案,例如微处理器、数字讯号处理器 (DSP) 和模块都是设计人员选择这类组件时可以考虑的对象。小巧精简的微控制器也是设计人员的理想选择,因为它既能为小型电机控制等应用提供许多优点,又能节省宝贵的电路板面积。本文将针对电机控制应用和其特定需求进行深入讨论。

  电机控制基本原理
  许多应用都会用到功率低于300 W的小型电机,例如汽车、打印机、复印机、纸张处理机、工厂自动化、太空和军事载具、测试设备和机械人。整体而言,电机的产量约和其功率大小成反比,这表示小型电机的产量远超过大型电机。应用最广泛的小型电机包括直流电机、无刷直流电机和步进电机。

  步进电机、直流电机和无刷直流电机的主要区别在于它们的驱动方式。步进电机是以步阶方式分段移动,直流电机和无刷直流电机通常则采用连续移动的模拟控制方式。由于步进电机采用步阶移动,所以特别适合绝对寻址应用,目前市场上常见的步进电机已能提供每一步1.8°或0.9°的精确移动能力。步进电机采用直接控制方式,它的主要命令和控制变量都是步阶位置 (step position);相形之下,直流电机则是以电机电压做为控制变量,以位置或速度做为命令变量。直流电机需要反馈控制系统,它会以间接方式控制电机位置,步进电机系统多半则是以「开环」方式进行操作。

  步进电机
  步进电机可以根据电机结构、驱动架构和步进方式来分类。步进电机的结构有好几种,包括可变磁阻 (variable reluctance)、永磁和混合式永磁 (hybrid permanent magnet),永磁步进电机的成本很低,多半用于价格低廉的消费性产品。混合式步进电机的价格略高,是工业移动控制应用最常见的电机。可变磁阻电机通常有3或5个相位,需要采用不同的驱动电路架构。

  单极性 (unipolar) 和双极性 (bipolar) 是步进电机最常采用的两种驱动架构。单极性驱动电路使用四颗晶体管来驱动步进电机的两组相位,电机结构则如图1所示包含两组带有中间抽头的线圈,整个电机共有六条线与外界连接。这类电机有时又称为四相电机,但这种称呼容易令人混淆又不正确,因为它其实只有两个相位,精确的说法应是双相位六线式步进电机。六线式步进电机虽又称为单极性步进电机,实际上却能同时使用单极性或双极性驱动电路。

图1:单极性步进电机驱动电路

  双极性步进电机的驱动电路则如图2所示,它会使用八颗晶体管来驱动两组相位。双极性驱动电路可以同时驱动四线式或六线式步进电机,虽然四线式电机只能使用双极性驱动电路,它却能大幅降低量产型应用的成本。双极性步进电机驱动电路的晶体管数目是单极性驱动电路的两倍,其中四颗下端晶体管通常是由微控制器直接驱动,上端晶体管则需要成本较高的上端驱动电路。双极性驱动电路的晶体管只需承受电机电压,所以它不像单极性驱动电路一样需要箝位电路。

  图2:双极性步进电机驱动电路

  直流和无刷直流电机
  直流电机是最常见和成本最低的小型电机,并且广泛用于各种应用。无刷直流电机宣称能提供更高可靠性以及更低噪声和成本,然而到目前为止,它却只能在磁盘或计算机风扇等少数量产应用中取代传统直流电机。在某些应用里,无刷直流电机有多项优点胜过传统电刷电机,例如它以电子组件和传感器取代电刷,不但延长电机寿命和减少维护成本,而且也没有电刷产生的噪音。直流电机的特性使它成为调速系统最容易使用的电机。直流电机的硬件电路架构如图3所示。

  选择正确的电机控制组件
  为电机控制等特定应用选择组件时,必须先了解这些组件的功能特色,然后在应用中充份发挥它们的各项优点。步进、直流和无刷直流电机通常是由提供有限控制功能的专用组件来控制,这些组件大都只有简单的微处理器界面,系统效能因此受到很大限制。

  嵌入式系统最好使用小型微控制器来直接控制电机,例如可做为高效能电机控制解决方案的C8051F3xx系列。这颗微控制器包含线性速度控制资料 (linear-velocity profile),并能产生所需的精准时钟和电机驱动讯号 (pattern)。这颗微控制器可以直接驱动功率MOSFET晶体管,不需要额外的门驱动电路;它还包含串行通讯功能,可用来支持远程控制和分布式系统。

  我们很容易将完整的步进电机驱动电路整合至小型步进电机,多电机系统甚至能为每个电机提供一颗小型微控制器。C8051F3xx系列很适合驱动步进、直流或无刷直流电机,这颗组件的精巧体积使其成为理想的整合式电机解决方案,芯片内建UART和SMBus总线可以提供串行通讯和控制功能,经过校准的内部振荡器则能免掉使用外部石英晶体的成本和所占用的接脚数,同时提供精确的高速UART通讯时基以及电机时序讯号。这颗微控制器虽然采用低接脚数封装,但仍有足够接脚来驱动电机和RS232收发器,另外它还保留了2只I/O接脚给其它特殊功能使用。

  C8051F3xx系列是Silicon Laboratories的高整合度小型微控制器,它能针对空间有限的低功耗和低成本应用提供多种最佳功能,最适合用于消费、工业、通讯和汽车市场。

  C805F3xx系列是世界体积最小的微控制器 (3 × 3厘米),它所采用的流水线式8051微处理器指令速度高达25 MIPS,比普通的8051还高出20至25倍。其它芯片内建功能包括:2-16 KB程序空间、精度2%的24M内部振荡器、最高1280 Byte的RAM内存、高达10位的模拟数字转换器、温度传感器、四组16位定时器以及5通道PCA和用户可分配I/O的功能。C8051F3xx把这些常用零件整合至体积精巧的MLP封装,不但省下昂贵的体积大的离散器件,系统设计人员还能减少零件数目和缩小体积,同时大幅增强系统效能 (参考图3)。

  图3:Silicon Laboratories C8051F3x微控制器系列功能方块图

  Silicon Laboratories微控制器提供体积精巧的混合讯号系统单芯片,若再搭配低成本的专业开发工具和在线调试功能 (in-system debug),产品开发将变得简单快速。C8051F3xx系列拥有高整合度、小体积、高处理器产出和最强大的模拟外围功能,这使它成为各种应用的最佳选择 - 电机控制就是C8051F3xx卓越效能的最佳证明。

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