采用不同的方法实现电机控制

与电机连接的嵌入式系统的要求和复杂程度各不相同。简单的应用仅仅接合和脱离电源并且可能反转极性以反转电动机方向。然而，在实践中，很少有设计那么简单。相反，速度，加速度，电机位置以及负载和扭矩感应是现代设计的更典型要求。

电机本质上是电感式的，它们可能会对突然的负载进行反应，应用不同的驱动波形，以及意外的更高电流消耗齿轮问题或卡纸情况（如打印机中的卡纸）。

包括MCU和驱动器的电机控制平台和套件可用于旋转各种类型的电机，包括交流感应电机（ACIM），无刷（BLDC），步进电机，永磁（PMSM），通用，开关磁阻，和更多。应该注意的是，几乎在所有情况下都需要外部驱动器，因为通常MCU的I/O线路没有驱动器。

由于所有这些原因，电机控制带有许多其他嵌入式设计所没有的特殊要求。这包括芯片上的外围设备，用于驱动，切换和测量电机的功率电平。还需要外围设备来感测电机状况。本文着眼于微控制器可以与电机连接以实现精确控制和电机状态提取的方法。

实用功能

几乎所有微控制器都可以驱动和控制电机; I/O，定时器，A/D和D/A是非常标准的，据了解，您将使用外部电路来完成繁重的工作。 MCU在正常条件下能够很好地感应和控制。但是，有一些很好的功能，微型可以提供电机控制，推动他们超越标准功能。

例如，在许多应用中，电动机将受到不同载荷和应力的驱动。电流和应变传感器可用于查看电机的情况。提供集成模拟比较器的微控制器可以在超过阈值电平时产生中断，其响应速度比使用A/D级每隔一段时间轮询一次的通用MCU要快得多。另一点是，快速而坚决的A/D级对于监控和验证正常运行条件特别有用。类似地，良好的D/A级（或PWM）对于可变电压驱动电机可能是重要的，其转矩和速度可以通过改变驱动电压来指导。快速中断响应时间和唤醒时间也很重要。

一旦你拥有一个可靠而强大的驱动和感知机制，现在它就成了一个过滤过程，可以找到最适合工作的微观过程。

满足电机控制要求

了解电机控制的特殊需求，多家MCU制造商结合了特定的功能和特性，创建了针对电机应用的专用电机控制微控制器或微控制器。采用AtmelAVR®系列，特别是ATXMEGA16D4-MHR，其定时器/计数器内嵌有高级波形扩展（AWeX）功能。它可以实现具有死区插入的低端和高端输出以及故障保护，以在达到故障检测参数时非常快速地关闭外部驱动器。

内部时钟的使用允许比标准外设时钟高出四到八倍的时序分辨率，还有助于在损坏之前检测可能出现的电路故障故障。另一个不错的电机控制功能是能够在端口引脚上生成同步位模式。这有助于多个电动机或具有时间驱动的单个电动机的同步。例如，打印机可能希望在电机移动到非常特定的位置后的特定时间启用其喷墨器。

展示了如何使用低成本处理器驱动和控制12 V，三相，无传感器，磁场定向控制（FOC）8极永磁电机和USB桥（图1）。可以在Digi-Key网站上找到XMEGA®系列的产品培训模块介绍。

图1：专用的AVR micro使得从USB端口编程和控制三相电机变得简单。

Zilog是另一家使用ZNEO™CPU直接使用Z16FMC系列进行电机控制的制造商。例如，考虑采用16位Z16FMC64AG20SG，它具有集成模拟比较器，运算放大器，12源A/D和灵活的PWM级。片上调试器有助于开发。监视器，故障检测，掉电检测和两种不同类型的复位等标准功能使程序员工具可以进行主动故障恢复和管理。向量中断和优先级划分对减少响应时间也很有用。

一个特别好的特性是PWM状态逻辑的极性控制的关闭状态故障回退（图2）。它使用主定时器生成调制器的时基和6个独立的比较寄存器，为每个输出设置PWM。插入可编程死区时间，以确保功率晶体管和H桥驱动器永远不会以重叠波形同时驱动。

Zilog在Digi-Key网站上提供Z16FMC电机控制培训模块。

图2：为满足集成和电机特定要求，Zilog电机控制MCU内部的PWM级包含用于差分三相驱动的专用状态逻辑以及故障保护和死区时间逻辑。

外围方法

几家半导体公司为特定类型的电机提供外围式控制器。 IXYS IXDP630PI全面负责三相正弦换向无刷，感应或交流伺服类型的电机。这取代了在逻辑中实现此功能所需的六个分立IC。

其关键功能是在有效开关时间之间插入所需的死区时间，以防止可能导致H桥设计中的短路情况的重叠驱动波形。虽然大部分逻辑和功能已经迁移到微控制器的I/O部分，但仍然使用离散和专用电机控制IC。

像Microchip MTD6505T-E/NA这样的部件非常有趣。这里嵌入式专用小型MCU安装在芯片上，实现了三相电机接口电路（图3）。小巧的DFN 10引脚封装足够小，可以安装在电机附近，微型可以数字控制速度和方向。虽然内部有三相H桥，但它需要为更大的电机驱动更多肉质的动力元件。

图3：用于正弦三相无传感器和无刷电机的专用微型接口和控制电路紧凑地安装在3 x 3 mm 10引脚DFN封装中。

迈向正确方向的步骤

步进电机是常用的，也有专用MCU可以定位的特殊需求。步进器可以是非常小的低功率，如仪表板仪表中使用的埋入式电机，或者非常大和当前饥饿，如X-Y表等离子切割机中使用的那些。需要更高的电压来提供更高水平的功率。

对于这些应用，请仔细查看Allegro A4915METTR-T，它可以在高达50 V的电机下运行。设计用于三相无刷直流电机的PWM驱动电流控制，它包括六个大电流N - 通道功率MOSFET，在其状态逻辑中具有制动控制系统（图4）。有关更多信息，Digi-Key和Allegro提供了一个产品培训模块，名为使用A49xx系列的步进电机控制。

图4：通过内置电荷泵和制动控制系统，基于状态机的三相步进控制器由来自主处理器的并行总线驱动。

关于保护的注意事项

有许多类型的电机具有独特的特性和需求。电机可以用直流或交流驱动，使用刷子或无刷，也可以是步进电机或薄饼。此外，驱动功率的大小可以从微瓦到兆瓦。

在所有情况下，当驱动电机时，电机线圈绕组的电感特性会引入尖峰和高压故障。如前所述，您很可能会使用功率晶体管，继电器和H桥等驱动器设备来实际为线圈绕组供电，并使用低电平逻辑信号来控制驱动器。即使这提供了一个级别的隔离，但电机的响应可能会泄漏回电源并可能使MCU出现故障。虽然微I/O线具有内在保护功能，但它们很容易被淹没。

工程师有几种选择。您可以使用浪涌抑制装置，晶闸管，瞬态电压抑制器，甚至气体放电管来抑制高压反激尖峰。另一种方法是将光隔离器用于非线性驱动电机的电隔离控制链路。

总结

电机控制可以像高端外设功能一样进行管理，也可以由微控制器直接驱动。通用MCU可以利用专用的电机驱动和控制IC。另一方面，一些集成MCU封装解决方案包含驱动电机所需的特殊硬件逻辑，并且可以很好地控制它们。最重要的是：虽然您的需求可能会有所不同，但解决方案随时可用。