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無刷直流和無刷交流等先進的電機控制技術已廣泛用于各種工業應用之中，這種技術與通用交流電機控制技術相比具有多種優勢：效率更高、耐用性更佳、電機成本更低。另一方面，用于驅動電機的電子組件變得日益復雜，結果提高了系統總成本。 白電市場作為價格驅動特征十分明顯的細分市場，在洗衣機、洗碗機等家電中應用“新型”電機控制方式顯得尤為謹慎。目前，廣為人知的傳統控制仍是市場的首選，但是近幾年來，尤其是在半導體價格逐年下降的背景下，該市場所使用的技術已悄然發生變化。 恩智浦作為一家工業應用半導體供應商，其產品覆蓋面十分廣泛，包括通用應用產品（整流器、齊納二極管等）、邏輯和電源產品（雙向可控硅、電源IC）以及接口和微控制器產品等。 如今，無刷直流電機(BLDC)已取代傳統的有刷直流(BDC)電機，廣泛用于各種應用之中。 無刷直流電機不但在效率和可靠性方面有上佳表現，而且擁有更低的噪聲、更輕的重量和更長的使用壽命，還消除了換向器火花，減少了總體電磁輻射，因而在白電、暖通空調及工業應用領域日益受到追捧。 與多數電機控制相同，無刷直流電機控制器由控制單元和電源單元構成，恩智浦同時為這兩個單元提供極具競爭力的解決方案。本文將重點討論恩智浦針對功率300W、電壓12-30V的無刷直流電機開發的演示板。轉子定向反饋利用霍爾傳感器確定，并通過個人電腦采用CAN或UART方式與外界相連。 圖1 Cortex-M0內核是ARM在2009年發布的最新內核之一，也是市場上體積最小、功耗最低、最節能的ARM處理器，能夠以8位產品的價格實現32位產品的性能，為從8位架構跳過16位架構、直接移植到32位架構創造了可能。 ARM Cortex-M0內核基于ARMv6-M架構，采用包含Thumb-2技術的所謂Thumb指令集。 Thumb指令集可以基于16位指令實現32位運算，因而為減小代碼大小提供了可能。 Thumb ISA（指令集架構）僅包括56條指令，每條指令均保證執行時間。從這個角度來看，Cortex-M0可提供完全可以確定的響應時間。由于采用的是32位架構，因此，即使是16位指令，也可以用一條指令實現8位、16位或32位數據傳輸。 至于編程模型，Cortex-M0采用的是由13個通用寄存器（r0-r7 低寄存器和r8-r12 高寄存器）、3個特殊寄存器（堆棧指針、鏈接寄存器和程序計數器）和1個器件狀態指示寄存器（xPSR，程序狀態寄存器）構成的寄存器集，如下圖所示。 圖2 如前所述，所有指令均在固定時間內執行完畢。例如，數據處理指令在一個周期內完成，數據傳輸指令在兩個周期內完成，分支指令(branch)則在三個周期內完成。 除內核以外，Cortex-M0集成了一個可以處理中斷和系統異常的嵌套向量中斷控制器(NVIC)。Cortex-M0內核具有完全確定的中斷處理行為，默認值為16個周期，無抖動。NVIC最多能處理32個優先矢量。與Cortex-M3架構相同，這種架構支持尾鏈中斷（Tail chaining）和后到（Late arriving）中斷。 2009年，恩智浦半導體發布了LPC1100家族中的第一款產品，也是首款基于Cortex-M0內核的微控制器系列產品。 據Dhrystone測量結果，LPC1100系列可以提供0.9 DMIPS/MHz的運算能力。 根據基于嵌入式器件真實性能的Coremark (http://www.coremark.org)基準測試，恩智浦LPC1100系列取得了1.4 Coremark/MHz的高分，遠遠超過8位和16位產品市場的同類產品。與此同時，減小的代碼尺寸還可以給用戶帶來性能上的提升。得益于Cortex-M0架構，開發員平均可以節省40%左右的閃存利用空間。 由于極低的門數，基于Cortex-M0的器件可應用于低功耗應用之中，比如醫療設備、電子計量儀器、電機控制、電池供電型傳感器等。ARM出品的Cortex-M系列處理器可支持多種功耗模式：睡眠模式、深度睡眠模式和省電模式。 LPC1100系列最高支持50 MHz的時鐘速率，屬于零延遲架構，集成簡單的AHB-Lite接口。框圖如下所示： 圖3 LPC111x集成了工業、消費、白電應用中嵌入式控制系統所需要的全部外設。閃存容量最高達32KB，價格65美分/片起（適用采用8K閃存的器件）。 針對無刷直流電機控制需要，LPC1100系列產品集成4個計時器（16位和32位各2個），共有13個匹配輸出，每個匹配輸出都可配置為PWM模式。其中6個PWM信號在演示板中用于驅動MOSFET的高、低端。 LPC1100上的通用輸入/輸出(GPIO)具有較高的可配置特性，可用作在上升沿和下降沿激活或者兩個沿同時激活的外部中斷。轉子定向反饋通過這些GPIO中斷獲取。 圖4 LPC1100擁有一個8通道10位模數轉換器(ADC)，其中一個通道用作過流保護，其方法是通過一個分流電阻測量電機電流。 不用傳感器，通過在無刷直流電機換向過程中測量浮動相位電壓，偵測轉子位置。這要求在獲取浮動相位電壓時精確計時。在LPC1100中，模數轉換可通過四個計時器中兩個計時器的匹配事件來觸發。這樣可以減少CPU負荷，并在適當時刻精確捕捉浮動相位。 為了與外界相連，LPC1100集成了UART和/或CAN接口。 為了進一步支持無刷直流電機，恩智浦標準產品事業部于2009年推出了采用Trench技術的新一代（第六代）Mosfet，為工業部門提供了電機控制等多種應用支持。新型Trench 6 Mosfet產品具有以下優勢：降低了低導通電阻RDS(ON)器件的Rspec - mΩ / mm2值，為快速開關創造了條件；降低了柵極電荷和開關損耗；低QG(tot)和低FOM，最大限度地提高了效率；將Tj(最大)提升至175C，為高可靠和高性能應用提供了大力支持。不斷擴大的產品組合將為電機控制應用提供完美支撐。 今后，我們的Cortex-M產品研發將支持無刷直流電機的磁場定向控制和U/f控制。這是我們微控制器系列研發理念的延續，我們一貫基于ARM7、Cortex-M0、Cortex-M3、新型Cortex-M4等架構提供相似的外設IP、軟件兼容支持和輕松移植能力，彰顯了我們對這種理念的傳承。 這種策略不但使我們能夠針對不同電機控制方法在CPU性能和必要外設之間取得最佳平衡，而且能夠在各種項目中實現工具和軟件的循環利用（例如，為Cortex-M0編寫的軟件模塊可以在Cortex-M3/M4微控制器中重復利用）。如此一來，我們的客戶不但可以大幅縮短上市時間，還能最大限度地減少工具投資（相同的IDE、調試和編程工具）。 |
