與電機(jī)連接的嵌入式系統(tǒng)的要求和復(fù)雜程度各不相同。簡(jiǎn)單的應(yīng)用僅僅接合和脫離電源并且可能反轉(zhuǎn)極性以反轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)方向。然而，在實(shí)踐中，很少有設(shè)計(jì)那么簡(jiǎn)單。相反，速度，加速度，電機(jī)位置以及負(fù)載和扭矩感應(yīng)是現(xiàn)代設(shè)計(jì)的更典型要求。

電機(jī)本質(zhì)上是電感式的，它們可能會(huì)對(duì)突然的負(fù)載進(jìn)行反應(yīng)，應(yīng)用不同的驅(qū)動(dòng)波形，以及意外的更高電流消耗齒輪問題或卡紙情況（如打印機(jī)中的卡紙）。

包括MCU和驅(qū)動(dòng)器的電機(jī)控制平臺(tái)和套件可用于旋轉(zhuǎn)各種類型的電機(jī)，包括交流感應(yīng)電機(jī)（ACIM），無刷（BLDC），步進(jìn)電機(jī)，永磁（PMSM），通用，開關(guān)磁阻，和更多。應(yīng)該注意的是，幾乎在所有情況下都需要外部驅(qū)動(dòng)器，因?yàn)橥ǔCU的I/O線路沒有驅(qū)動(dòng)器。

由于所有這些原因，電機(jī)控制帶有許多其他嵌入式設(shè)計(jì)所沒有的特殊要求。這包括芯片上的外圍設(shè)備，用于驅(qū)動(dòng)，切換和測(cè)量電機(jī)的功率電平。還需要外圍設(shè)備來感測(cè)電機(jī)狀況。本文著眼于微控制器可以與電機(jī)連接以實(shí)現(xiàn)精確控制和電機(jī)狀態(tài)提取的方法。

實(shí)用功能

幾乎所有微控制器都可以驅(qū)動(dòng)和控制電機(jī); I/O，定時(shí)器，A/D和D/A是非常標(biāo)準(zhǔn)的，據(jù)了解，您將使用外部電路來完成繁重的工作。 MCU在正常條件下能夠很好地感應(yīng)和控制。但是，有一些很好的功能，微型可以提供電機(jī)控制，推動(dòng)他們超越標(biāo)準(zhǔn)功能。

例如，在許多應(yīng)用中，電動(dòng)機(jī)將受到不同載荷和應(yīng)力的驅(qū)動(dòng)。電流和應(yīng)變傳感器可用于查看電機(jī)的情況。提供集成模擬比較器的微控制器可以在超過閾值電平時(shí)產(chǎn)生中斷，其響應(yīng)速度比使用A/D級(jí)每隔一段時(shí)間輪詢一次的通用MCU要快得多。另一點(diǎn)是，快速而堅(jiān)決的A/D級(jí)對(duì)于監(jiān)控和驗(yàn)證正常運(yùn)行條件特別有用。類似地，良好的D/A級(jí)（或PWM）對(duì)于可變電壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)可能是重要的，其轉(zhuǎn)矩和速度可以通過改變驅(qū)動(dòng)電壓來指導(dǎo)?？焖僦袛囗憫?yīng)時(shí)間和喚醒時(shí)間也很重要。

一旦你擁有一個(gè)可靠而強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)和感知機(jī)制，現(xiàn)在它就成了一個(gè)過濾過程，可以找到最適合工作的微觀過程。

滿足電機(jī)控制要求

了解電機(jī)控制的特殊需求，多家MCU制造商結(jié)合了特定的功能和特性，創(chuàng)建了針對(duì)電機(jī)應(yīng)用的專用電機(jī)控制微控制器或微控制器。采用AtmelAVR?系列，特別是ATXMEGA16D4-MHR，其定時(shí)器/計(jì)數(shù)器內(nèi)嵌有高級(jí)波形擴(kuò)展（AWeX）功能。它可以實(shí)現(xiàn)具有死區(qū)插入的低端和高端輸出以及故障保護(hù)，以在達(dá)到故障檢測(cè)參數(shù)時(shí)非?？焖俚仃P(guān)閉外部驅(qū)動(dòng)器。

內(nèi)部時(shí)鐘的使用允許比標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)時(shí)鐘高出四到八倍的時(shí)序分辨率，還有助于在損壞之前檢測(cè)可能出現(xiàn)的電路故障故障。另一個(gè)不錯(cuò)的電機(jī)控制功能是能夠在端口引腳上生成同步位模式。這有助于多個(gè)電動(dòng)機(jī)或具有時(shí)間驅(qū)動(dòng)的單個(gè)電動(dòng)機(jī)的同步。例如，打印機(jī)可能希望在電機(jī)移動(dòng)到非常特定的位置后的特定時(shí)間啟用其噴墨器。

展示了如何使用低成本處理器驅(qū)動(dòng)和控制12 V，三相，無傳感器，磁場(chǎng)定向控制（FOC）8極永磁電機(jī)和USB橋（圖1）?？梢栽?a href="http://www.brongaenegriffin.com/tags/digi-key/" target="_blank">Digi-Key網(wǎng)站上找到XMEGA?系列的產(chǎn)品培訓(xùn)模塊介紹。

圖1：專用的AVR micro使得從USB端口編程和控制三相電機(jī)變得簡(jiǎn)單。

Zilog是另一家使用ZNEO?CPU直接使用Z16FMC系列進(jìn)行電機(jī)控制的制造商。例如，考慮采用16位Z16FMC64AG20SG，它具有集成模擬比較器，運(yùn)算放大器，12源A/D和靈活的PWM級(jí)。片上調(diào)試器有助于開發(fā)。監(jiān)視器，故障檢測(cè)，掉電檢測(cè)和兩種不同類型的復(fù)位等標(biāo)準(zhǔn)功能使程序員工具可以進(jìn)行主動(dòng)故障恢復(fù)和管理。向量中斷和優(yōu)先級(jí)劃分對(duì)減少響應(yīng)時(shí)間也很有用。

一個(gè)特別好的特性是PWM狀態(tài)邏輯的極性控制的關(guān)閉狀態(tài)故障回退（圖2）。它使用主定時(shí)器生成調(diào)制器的時(shí)基和6個(gè)獨(dú)立的比較寄存器，為每個(gè)輸出設(shè)置PWM。插入可編程死區(qū)時(shí)間，以確保功率晶體管和H橋驅(qū)動(dòng)器永遠(yuǎn)不會(huì)以重疊波形同時(shí)驅(qū)動(dòng)。

Zilog在Digi-Key網(wǎng)站上提供Z16FMC電機(jī)控制培訓(xùn)模塊。

圖2：為滿足集成和電機(jī)特定要求，Zilog電機(jī)控制MCU內(nèi)部的PWM級(jí)包含用于差分三相驅(qū)動(dòng)的專用狀態(tài)邏輯以及故障保護(hù)和死區(qū)時(shí)間邏輯。

外圍方法

幾家半導(dǎo)體公司為特定類型的電機(jī)提供外圍式控制器。 IXYS IXDP630PI全面負(fù)責(zé)三相正弦換向無刷，感應(yīng)或交流伺服類型的電機(jī)。這取代了在邏輯中實(shí)現(xiàn)此功能所需的六個(gè)分立IC。

其關(guān)鍵功能是在有效開關(guān)時(shí)間之間插入所需的死區(qū)時(shí)間，以防止可能導(dǎo)致H橋設(shè)計(jì)中的短路情況的重疊驅(qū)動(dòng)波形。雖然大部分邏輯和功能已經(jīng)遷移到微控制器的I/O部分，但仍然使用離散和專用電機(jī)控制IC。

像Microchip MTD6505T-E/NA這樣的部件非常有趣。這里嵌入式專用小型MCU安裝在芯片上，實(shí)現(xiàn)了三相電機(jī)接口電路（圖3）。小巧的DFN 10引腳封裝足夠小，可以安裝在電機(jī)附近，微型可以數(shù)字控制速度和方向。雖然內(nèi)部有三相H橋，但它需要為更大的電機(jī)驅(qū)動(dòng)更多肉質(zhì)的動(dòng)力元件。

圖3：用于正弦三相無傳感器和無刷電機(jī)的專用微型接口和控制電路緊湊地安裝在3 x 3 mm 10引腳DFN封裝中。

邁向正確方向的步驟

步進(jìn)電機(jī)是常用的，也有專用MCU可以定位的特殊需求。步進(jìn)器可以是非常小的低功率，如儀表板儀表中使用的埋入式電機(jī)，或者非常大和當(dāng)前饑餓，如X-Y表等離子切割機(jī)中使用的那些。需要更高的電壓來提供更高水平的功率。

對(duì)于這些應(yīng)用，請(qǐng)仔細(xì)查看Allegro A4915METTR-T，它可以在高達(dá)50 V的電機(jī)下運(yùn)行。設(shè)計(jì)用于三相無刷直流電機(jī)的PWM驅(qū)動(dòng)電流控制，它包括六個(gè)大電流N - 通道功率MOSFET，在其狀態(tài)邏輯中具有制動(dòng)控制系統(tǒng)（圖4）。有關(guān)更多信息，Digi-Key和Allegro提供了一個(gè)產(chǎn)品培訓(xùn)模塊，名為使用A49xx系列的步進(jìn)電機(jī)控制。

圖4：通過內(nèi)置電荷泵和制動(dòng)控制系統(tǒng)，基于狀態(tài)機(jī)的三相步進(jìn)控制器由來自主處理器的并行總線驅(qū)動(dòng)。

關(guān)于保護(hù)的注意事項(xiàng)

有許多類型的電機(jī)具有獨(dú)特的特性和需求。電機(jī)可以用直流或交流驅(qū)動(dòng)，使用刷子或無刷，也可以是步進(jìn)電機(jī)或薄餅。此外，驅(qū)動(dòng)功率的大小可以從微瓦到兆瓦。

在所有情況下，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，電機(jī)線圈繞組的電感特性會(huì)引入尖峰和高壓故障。如前所述，您很可能會(huì)使用功率晶體管，繼電器和H橋等驅(qū)動(dòng)器設(shè)備來實(shí)際為線圈繞組供電，并使用低電平邏輯信號(hào)來控制驅(qū)動(dòng)器。即使這提供了一個(gè)級(jí)別的隔離，但電機(jī)的響應(yīng)可能會(huì)泄漏回電源并可能使MCU出現(xiàn)故障。雖然微I/O線具有內(nèi)在保護(hù)功能，但它們很容易被淹沒。

工程師有幾種選擇。您可以使用浪涌抑制裝置，晶閘管，瞬態(tài)電壓抑制器，甚至氣體放電管來抑制高壓反激尖峰。另一種方法是將光隔離器用于非線性驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電隔離控制鏈路。

總結(jié)

電機(jī)控制可以像高端外設(shè)功能一樣進(jìn)行管理，也可以由微控制器直接驅(qū)動(dòng)。通用MCU可以利用專用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制IC。另一方面，一些集成MCU封裝解決方案包含驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的特殊硬件邏輯，并且可以很好地控制它們。最重要的是：雖然您的需求可能會(huì)有所不同，但解決方案隨時(shí)可用。