如今，電動(dòng)馬達(dá)無處不在，從洗衣機(jī)和健身跑步機(jī)到商業(yè)建筑的加熱和冷卻系統(tǒng)等各個(gè)方面都在推動(dòng)著運(yùn)動(dòng)。不幸的是，所有這些電機(jī)都消耗了相當(dāng)多的能量。一些專家估計(jì)，美國產(chǎn)生的所有電力中約有60％是由電動(dòng)機(jī)消耗的。設(shè)計(jì)人員降低功耗的一種方法是轉(zhuǎn)向更新的電機(jī)技術(shù)，如無刷直流和交流電機(jī)。

與刷漆同類產(chǎn)品相比，無刷電機(jī)更可靠，更安靜，產(chǎn)生的電磁輻射更少，更安全，因?yàn)樗鼈兿伺c電刷及其換向器相關(guān)的火花。它們也更有效率，這意味著它們使用更少的能量。另一方面，無刷電機(jī)還需要更復(fù)雜的電子設(shè)備來管理其操作，并且設(shè)計(jì)該電路可以增加開發(fā)時(shí)間并提高總系統(tǒng)成本。

作為工業(yè)應(yīng)用和白色家電的長期供應(yīng)商，恩智浦半導(dǎo)體非常熟悉與電機(jī)控制相關(guān)的問題。設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)包括尋找提高精度，提高速度，降低功耗，限制電磁干擾（EMI），降低成本以及擴(kuò)展系統(tǒng)可執(zhí)行任務(wù)數(shù)量的方法。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，我們的32位ARM Cortex-M3和Cortex-M4微控制器（MCU）包括用于電機(jī)控制的專用外設(shè)。狀態(tài)可配置定時(shí)器（SCT）是一種獨(dú)特的，正在申請專利的外設(shè)，可為設(shè)計(jì)人員提供電機(jī)控制操作的新級別可編程性。

狀態(tài)可配置定時(shí)器（SCT）

SCT是一種復(fù)雜且易于配置的定時(shí)功能，可提供前所未有的靈活性。它允許設(shè)計(jì)人員配置高級定時(shí)操作 - 包括復(fù)雜電機(jī)控制功能所需的操作 - 同時(shí)滿足嚴(yán)格的開發(fā)時(shí)間表。從架構(gòu)的角度來看，它是一個(gè)定時(shí)器捕獲單元，配有高度靈活的事件驅(qū)動(dòng)狀態(tài)機(jī)。它為時(shí)序區(qū)域帶來了兩個(gè)熟悉的概念，即事件和狀態(tài)，因此可以進(jìn)行各種操作，包括時(shí)序，計(jì)數(shù)，輸出調(diào)制和輸入捕獲。

圖1：恩智浦的SCT外設(shè)將定時(shí)器捕獲單元與狀態(tài)機(jī)相結(jié)合。

表1介紹了SCT的五個(gè)基本構(gòu)建塊：定時(shí)器，事件，狀態(tài)，輸入和輸出。

塊支持說明定時(shí)器向上或向上/向下計(jì)數(shù)兩個(gè)16位計(jì)數(shù)器或一個(gè)32位計(jì)數(shù)器，具有向上或向上/向下計(jì)數(shù)器功能，并由總線時(shí)鐘或所選輸入提供時(shí)鐘。事件最多16個(gè)發(fā)生預(yù)定義條件時(shí)發(fā)生的轉(zhuǎn)換（計(jì)數(shù)器狀態(tài)，輸出生成，狀態(tài)更改等）。狀態(tài)最多32個(gè)條件，用于定義評估已定義事件的上下文。輸入最多由SCT評估的8個(gè)信號。他們可以為活動(dòng)的產(chǎn)生做出貢獻(xiàn)。輸出SCT生成的最多16個(gè)信號。他們可以為活動(dòng)的產(chǎn)生做出貢獻(xiàn)。

在根據(jù)定時(shí)匹配，I/O信號或兩者的組合驗(yàn)證可編程條件時(shí)，可以將事件編程為激活（即執(zhí)行操作）。事件在SCT控制寄存器中定義。每個(gè)硬件事件都可以配置為驅(qū)動(dòng)輸出信號，觸發(fā)中斷請求（IRQ），執(zhí)行DMA傳輸或影響定時(shí)器本身的行為（通過停止，啟動(dòng)，重置或掛起定時(shí)器）。

專用影子寄存器，用于保存計(jì)數(shù)器匹配值，用于定義基于時(shí)間的事件或基于時(shí)間和I/O的組合事件的基于時(shí)間的部分。應(yīng)用程序在運(yùn)行時(shí)可以更改影子寄存器的內(nèi)容以修改匹配點(diǎn)。當(dāng)相關(guān)定時(shí)器達(dá)到其極限時(shí)（在向上計(jì)數(shù)模式下復(fù)位為零，或者在向上/向下計(jì)數(shù)模式下定時(shí)器反轉(zhuǎn)其方向時(shí)），新值將加載到寄存器中。 SCT的這一部分實(shí)質(zhì)上是高級計(jì)時(shí)器。

添加狀態(tài)概念使SCT能夠提供更復(fù)雜的排序。每個(gè)定時(shí)器通過狀態(tài)寄存器與狀態(tài)機(jī)相關(guān)聯(lián)?？梢詫κ录M(jìn)行編程，以在操作期間觸發(fā)狀態(tài)機(jī)從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)的跳轉(zhuǎn)。用戶定義的狀態(tài)還可以配置為過濾所有可能的預(yù)定義SCT事件的特定子集。換句話說，事件只能在特定狀態(tài)下激活。設(shè)計(jì)人員可以將SCT的行為與狀態(tài)機(jī)算法相關(guān)聯(lián)，從而使系統(tǒng)根據(jù)SCT的當(dāng)前狀態(tài)對某些事件做出不同的反應(yīng)。這種定義更復(fù)雜事件序列的能力使SCT比傳統(tǒng)定時(shí)器或PWM生成塊更復(fù)雜。它允許SCT通過狀態(tài)機(jī)隨時(shí)間自動(dòng)演進(jìn)，以響應(yīng)基于時(shí)間或I/O定義的事件。對于電機(jī)控制應(yīng)用，由于SCT可以處理硬件中的大部分控制序列，因此需要較少的CPU干預(yù)。

SCT的另一個(gè)特性是它可用于定義評估輸入信號電平或邊沿的事件。如果沒有SCT，設(shè)計(jì)人員必須通過定期輪詢CPU的輸入線來檢測更改，從而在軟件中執(zhí)行此任務(wù)。使用SCT執(zhí)行任務(wù)可卸載CPU并簡化編程。

同樣，定義一個(gè)中斷來檢測輸入上的信號變化會在系統(tǒng)級引入過多的延遲。 SCT通過在一個(gè)SCT時(shí)鐘周期內(nèi)保證對輸入信號的無抖動(dòng)響應(yīng)，提供了一種有效的方法。通常，SCT的時(shí)鐘速度與CPU相同（通常為150 MHz），分辨率高達(dá)6.67 ns，反應(yīng)時(shí)間（檢測信號變化）為13.3 ns。

SCT工具

如上所述，硬件寄存器用于配置狀態(tài)，事件和計(jì)時(shí)器值。在LPC1800和LPC4300中，這增加了超過290個(gè)寄存器。為了簡化配置，恩智浦開發(fā)了一個(gè)基于狀態(tài)機(jī)繪圖工具的工具集，允許設(shè)計(jì)人員在圖形環(huán)境中配置SCT。繪圖工具稱為SCT-Tool，它使用熟悉的氣泡和箭頭作為對象，表示狀態(tài)和轉(zhuǎn)換（圖2）。相應(yīng)狀態(tài)和轉(zhuǎn)換的屬性輸入到易于使用的表中（圖3）。 SCT-Tool使用表?xiàng)l目以及物理I/O和計(jì)時(shí)器值的分配來創(chuàng)建SCT的所有必需設(shè)置。 SCT-Tool以C代碼輸出寄存器設(shè)置。不需要狀態(tài)機(jī)代碼，因?yàn)镾CT的狀態(tài)機(jī)功能完全是硬連線的。

圖2：SCT-Tool使用熟悉的氣泡和箭頭來定義狀態(tài)機(jī)。

圖3：I/O和計(jì)時(shí)器值輸入到一個(gè)簡單的表中。

SCT-Tool使用簡單的兩步設(shè)計(jì)流程。第一步是繪制狀態(tài)圖并指定其屬性，第二步是在C中分配I/O和定時(shí)器值。從那里，設(shè)計(jì)人員只需編譯LPC1800或LPC4300器件的應(yīng)用框架，包括SCT組件作為項(xiàng)目的一部分。 SCT-Tool可以輕松嵌入到各種開發(fā)工具的標(biāo)準(zhǔn)工作流程中，包括KEILμVision，IAR EWARM或Code Red基于Eclipse的Red Suite。這使得作為較大應(yīng)用程序的一部分，可以輕松地測試，調(diào)試和修改SCT代碼。

為了幫助設(shè)計(jì)人員快速掌握，SCT-Tools包括各種應(yīng)用程序的項(xiàng)目示例。這些示例提供了對狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)原理的深入了解，它們可以作為設(shè)計(jì)者自己想法的起點(diǎn)。 SCT-Tool以及信息豐富的培訓(xùn)視頻可以從恩智浦網(wǎng)站下載。

示例配置：FOC算法

為了演示SCT的使用，我們設(shè)計(jì)了一個(gè)使用LPC1850 Cortex-M3 MCU的示例應(yīng)用程序來控制無刷AC（BLAC）電機(jī)。我們的示例BLAC電機(jī)有兩個(gè)主要部件：定子繞組和永磁體。它是同步電動(dòng)機(jī)，這意味著定子和轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場具有相同的角頻率。這意味著電機(jī)不會像交流感應(yīng)電機(jī)那樣滑動(dòng)。

對于控制操作，我們選擇了磁場定向控制（FOC）算法（也稱為矢量控制），因?yàn)樗梢愿行У乜刂齐姍C(jī)速度。 FOC算法還有助于減少電機(jī)尺寸，成本和功耗。 FOC的基本操作理論是測量和調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的磁場。當(dāng)轉(zhuǎn)子的永磁場的方向垂直時(shí)，即與定子繞組的感應(yīng)磁場成90°角時(shí)，實(shí)現(xiàn)對磁力的最佳杠桿作用。這在轉(zhuǎn)子軸上產(chǎn)生了最大可實(shí)現(xiàn)的扭矩。

圖4給出了FOC算法的框圖和時(shí)序設(shè)置。通過向電動(dòng)機(jī)繞組施加電壓矢量來控制定子場。該電壓矢量轉(zhuǎn)換為六個(gè)PWM信號，每個(gè)電機(jī)相位兩個(gè)。該轉(zhuǎn)換由稱為SVPWM的算法完成。 （有關(guān)FOC算法的更多信息，請參閱恩智浦的應(yīng)用筆記AN10899）。

圖4：FOC算法。

圖5給出了FOC算法的硬件實(shí)現(xiàn)。所有需要的信號和連接都可以用硬件實(shí)現(xiàn)。輸出信號是六個(gè)PWM。輸入信號包括兩個(gè)電流測量值，通過同相分流電阻，以及一個(gè)用于總電機(jī)電流的分流測量。

圖5：硬件實(shí)現(xiàn)。

考慮如何使用MCU上的各種外設(shè)實(shí)現(xiàn)FOC算法非常重要。例如，F(xiàn)OC算法需要在精確時(shí)間測量電機(jī)相電流。這需要非常準(zhǔn)確但靈活的ADC采樣。具有用于觸發(fā)ADC功能的正確結(jié)構(gòu)使得可以在沒有軟件中的附加信號濾波的情況下對相電流進(jìn)行采樣，并且可以節(jié)省大量CPU資源。

為了支持FOC算法，我們將SCT配置為實(shí)現(xiàn)四個(gè)高級功能：

六條電源線（橋接相位）中的每一條的專用和獨(dú)立激活/停用點(diǎn)

定時(shí)器將配置為遞增計(jì)數(shù)模式，生成的PWM波形不必相對于PWM周期的中間對稱。這使得可以在三個(gè)階段中的每個(gè)階段的激活和停用點(diǎn)中插入小的時(shí)移（偏移）。這反過來又提高了分流電阻上的采樣電流精度。此外，如果需要，死區(qū)時(shí)間可以在每對相位上不同。

每個(gè)ADC觸發(fā)信號的一個(gè)激活（采樣）點(diǎn)

算法需要采樣兩個(gè)電流值，通過測量放置在電機(jī)電流回路繞組上的三個(gè)分流電阻中的兩個(gè)上的電壓降來確定（第三個(gè)值在數(shù)學(xué)上來自兩個(gè)測量值）。

一個(gè)專用中斷觸發(fā)點(diǎn)

用于通知應(yīng)用層（CPU）激活點(diǎn)（匹配寄存器）中的配置更改，用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)相位和/或ADC采樣點(diǎn)。

八條輸出線

六條輸出線用于將生成的PWM信號傳送到橋式驅(qū)動(dòng)器。兩條額外的輸出線用作ADC觸發(fā)信號，通過片上多路復(fù)用器在內(nèi)部路由到芯片。

具有16位分辨率的計(jì)數(shù)器可能足以滿足大多數(shù)PWM波形要求，因此我們進(jìn)行了配置SCT只使用其兩個(gè)16位定時(shí)器中的一個(gè)。我們定義了總共16個(gè)事件：

12用于定義何時(shí)激活或停用六個(gè)PWM階段中的每一個(gè)

2觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換

1觸發(fā)CPU中斷

1確定PWM周期長度

注意，每個(gè)定義的事件都能觸發(fā)中斷。通過將一個(gè)事件專門用于中斷生成，我們可以獨(dú)立于其他基于時(shí)間的事件定義中斷觸發(fā)點(diǎn)。所有16個(gè)事件都是基于時(shí)間的，因此需要16個(gè)匹配寄存器。

FOC算法實(shí)際上并不需要我們定義不同的狀態(tài)，因?yàn)闆]有外部輸入可以確定特定的應(yīng)用程序狀態(tài)。所以我們只有一個(gè)入口狀態(tài)（L_ENTRY），如圖6所示。在運(yùn)行時(shí)，應(yīng)用程序?qū)⒏钠ヅ浼拇嫫髦狄赃m當(dāng)?shù)匦薷臅r(shí)序。

圖6：L_ENTRY狀態(tài)。

六個(gè)PWM輸出信號為AH，AL，BH，BL，CH和CL。每個(gè)都由專用事件控制，該事件定義單獨(dú)的激活（_ACT）和停用（_DEACT）點(diǎn)。用于ADC轉(zhuǎn)換的觸發(fā)點(diǎn)由ADC0_TRIG和ADC1_TRIG表示。生成應(yīng)用程序中斷的事件是IRQ_point，與每個(gè)PWM周期關(guān)聯(lián)的事件是Period_end。它會在下一個(gè)PWM開始之前清除ADC觸發(fā)信號。由于沒有狀態(tài)更改，因此所有已定義的事件都會循環(huán)回進(jìn)入狀態(tài)。

圖7顯示了一個(gè)偽狀態(tài)，稱為L_ALWAYS，未映射到SCT的任何物理狀態(tài)。這是一種圖形方便，用于避免為所有狀態(tài)指定相同的事件。這在定義多個(gè)狀態(tài)時(shí)特別有用。該圖表示始終處于活動(dòng)狀態(tài)的事件，與當(dāng)前狀態(tài)無關(guān)。 （由于此應(yīng)用程序僅使用一個(gè)狀態(tài)，L_ALWAYS圖可能已包含在L_ENTRY圖中。）

圖7：L_ALWAYS狀態(tài)。

表2列出了狀態(tài)機(jī)的相關(guān)設(shè)置。所有數(shù)值（trans1，trans2，trigger_ADC0等）都是用戶選擇的名稱，這些名稱在應(yīng)用程序代碼中定義。 SCT工具提供C宏來訪問值。

表2：狀態(tài)機(jī)設(shè)置。

LPCXpresso電機(jī)控制套件

為了支持電機(jī)控制應(yīng)用的快速上市，恩智浦提供低成本的LPCXpresso電機(jī)控制套件，這是一個(gè)與Embedded Artists合作創(chuàng)建的通用開發(fā)平臺。它是對電機(jī)控制項(xiàng)目進(jìn)行原型設(shè)計(jì)或簡單探索電機(jī)控制功能的理想方式。它支持無刷直流（BLDC），無刷交流（BLAC），步進(jìn)和雙刷直流電機(jī)的控制。

電路板有兩個(gè)完整的H橋，因此可以控制多達(dá)四個(gè)相位，占空比高達(dá)100％?？梢栽谌嗌蠝y量相電壓以及同相電流，也可以測量虛擬接地電壓和公共低側(cè)電流。為了安全和保護(hù)，存在輸入過流跳閘保護(hù)。為了提高設(shè)計(jì)靈活性，有多種通信接口，包括USB，以太網(wǎng)，CAN，RS-422/485和UART-to-USB橋接器。該板還具有帶操縱桿的小型圖形用戶界面（96x64像素OLED），可實(shí)現(xiàn)簡單，直觀的人機(jī)交互。

該板可由LPCXpresso LPC1114/LPC1343/LPC1768目標(biāo)板和未來的LPC1850/4350 Hitex板直接控制。該套件包括LPCXpresso電機(jī)控制板，帶LPC-Link JTAG的LPCXpresso LPC1114目標(biāo)板（由LPCXpresso IDE支持），帶霍爾傳感器的BLDC電機(jī)和24 V/60 W電源。該套件可通過恩智浦的分銷網(wǎng)絡(luò)獲得。

今天更小，更高效的無刷電機(jī)需要復(fù)雜的控制電子設(shè)備。 32位MCU提供的計(jì)算能力是開發(fā)這些控制功能的不錯(cuò)選擇，但仍有一些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)需要克服。恩智浦32位ARM MCU正面臨這些挑戰(zhàn)，專用的電機(jī)控制外設(shè)可在提高效率的同時(shí)簡化設(shè)計(jì)。選項(xiàng)包括專為電機(jī)控制而設(shè)計(jì)的多通道PWM，QEI功能，特別是一項(xiàng)名為狀態(tài)可配置定時(shí)器（SCT）的正在申請專利的新功能。

SCT將計(jì)時(shí)器計(jì)數(shù)器與狀態(tài)機(jī)結(jié)合在一起。它為設(shè)計(jì)人員提供了前所未有的電機(jī)控制功能可編程性，包括先進(jìn)的FOC算法，并且使用簡單的圖形界面易于配置。 SCT可在恩智浦的LPC1800 Cortex-M3和LPC4300 Cortex-M4器件上使用。恩智浦還提供與嵌入式藝術(shù)家合作開發(fā)的低成本LPCXpresso電機(jī)控制套件，以幫助快速啟動(dòng)設(shè)計(jì)。