一款32位MCU定時器設計及在無刷直流電機控制中的應用*

劉夢影，朱仁龍，史興強，劉云晶

（中科芯集成電路有限公司，江蘇無錫 214072）

1 引言

隨著現代科學技術日新月異的發展，智能家居、工業自動化和物流自動化等概念逐步普及深化，在家電領域、車載領域以及工業領域，各類電機在技術方面都出現了新的需求[1]。電器的智能化需要電器對于人機交流產生更快、更精準的反饋，這對于電機控制系統中各類傳感器和算法處理能力有更嚴格的要求；智能化汽車的概念促生了電動后視鏡、電動座椅、多風口可控自動變頻空調等概念，新增的功能和需求帶來了更高的成本壓力，同時對于電機控制系統提出了更復雜的要求。

電機控制技術作為智能家居、工業自動化和物流自動化控制過程中的核心技術，已得到了廣泛的關注和研究。隨著科技的發展，電機在實際應用中的重點已經開始從過去簡單的傳動向復雜的控制轉移，尤其是對電機的速度、位置和轉矩的精準控制。常用的控制電機有伺服電機、步進電機、力矩電機、開關磁阻電機和無刷直流電機等幾類。伺服電機廣泛應用于各種控制系統中，能將輸入的電壓信號轉換為電機軸上的機械輸出量，拖動被控對象，從而達到控制目的，當前隨著永磁同步電機技術的飛速發展，絕大部分的伺服電機是指交流永磁同步伺服電機或者無刷直流電機；步進電機是一種開環控制電機，其轉速和停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，可移植性較差且難以實現人機交互，控制精度低[2]；力矩電機是一種扁平型多極永磁直流電機，可以在電動機低速升值堵轉時仍能持續運轉；開關磁阻電機是一種新型調速電機，結構極其簡單，調速性能優異，但存在轉矩脈動、運行噪聲和振動大等問題；無刷直流電機是在有刷直流電機的基礎上發展而來的，相對于電機超過200年的發展歷史，無刷直流電機發展至今只有五十多年，其不僅繼承了傳統直流電機優異的機械特性和調節特性，而且還具有調速范圍廣、無轉子損耗、高功率密度等良好的特性，目前已廣泛應用于軍事、醫療、航空航天、工業自動化等多個領域[3-4]。

無刷直流電機系統的搭建，需要考慮的問題就是主控芯片的選型。隨著計算機控制技術的發展和電機控制專用芯片的推出以及價格的下降，現代電機控制系統較多地選用具有完善電機控制接口的專用MCU芯片。MCU是集成了微處理器、存儲元件與各類周邊接口甚至LCD驅動電路的單片微型計算機，例如意法半導體的STM32系列芯片[5]。在IC產業發展過程中，MCU與我們的日常生活息息相關，重要性也日益突出，常用于智能儀器、工業控制、家用電器、網絡和通信設備、汽車電子等領域。MCU憑借超高的性價比而備受關注，其具有面積小、重量小、抗干擾、價格低、高靈活性和易開發性等特點[6]，得到了廣泛的應用和快速的發展。采用電機專用的MCU芯片可以有效地減小電機控制器的面積，近年來專用MCU技術的發展為無刷直流電機的專用控制提供了強有力的基礎[7]。魏再平[8]利用STM32芯片的高性能和靈活的配置，研制了一種應用于電動摩托車上的低壓大功率低成本的無刷直流電機控制器，提高了系統的可靠性及維護性。高文武[9]以STM32F103RBT為核心硬件平臺，設計了三相全橋逆變電路、功率管自舉驅動電路、恒轉速調節電路、過流保護電路、過壓欠壓保護電路等電路，實現了快速平穩啟動的無刷直流電機驅動系統，該系統可即時保護電機和控制板。李克靖等[10]使用STM32F103C6T6作為主控芯片，設計了功率管驅動、母線電流采樣、過流保護等電路，并加入電角度補償優化，大幅度降低換相電流波動，減弱電機噪聲，使該電控系統能夠長時間安全可靠地運行。從發展趨勢來看，專用MCU代表了無刷直流電機控制器的發展方向。

目前自主研制的MCU產品CKS32系列已廣泛應用于電機方案，其產品系列已覆蓋了主流型、高性能、通用性等應用。CKS32F0系列芯片可應用于直流無刷電機的入門級應用方案；滿足主流應用的CKS32F1可用于伺服電機、變頻器和無人機等應用；滿足高端應用的CKS32F4，全方位覆蓋從工業控制到可穿戴、傳感器融合應用等。

本文主要介紹了CSK32系列MCU芯片定時器的分類和功能，及其在電機控制領域的應用和實現。

2 定時器設計

CKS32系列MCU芯片擁有眾多定時器，大致分為核內定時器和外設定時器。核內定時器有系統滴答定時器，外設定時器包含特定應用定時器和常規定時器。其中低功耗定時器、實時時鐘、看門狗以及高精度定時器屬于特定應用定時器；基本定時器、通用定時器以及高級定時器則屬于常規定時器。

基本定時器常用作時基，實現基本的計數和定時功能。通用定時器除了基本的定時功能以外，還具有輸入捕獲、輸出比較以及生成PWM的功能，可用于觸發其他外設定期采集或收發信號，或實現簡單的呼吸燈、蜂鳴器等應用。高級定時器不僅能夠實現通用定時器的功能，還具有輸出互補帶死區信號以及剎車等功能，其常用于電機控制和數字電源管理等。

2.1 高級定時器功能概述

高級定時器具有向上、向下和中心計數自動重載計數器，可編程預分頻器，擁有4個獨立的通道分別實現輸入捕獲、輸出比較、PWM生成以及單脈沖模式輸出功能。高級定時器可使用外部信號控制定時器和定時器互連的同步電路，支持針對定位的正交編碼器和霍爾傳感器電路。不同于通用定時器，高級定時器還具有死區時間可編程的互補PWM輸出功能。根據上述功能，通用定時器可分為6個功能單元，分別為從模式控制單元、時基單元、輸入單元、比較輸出單元、觸發輸出單元和捕捉比較單元。設計框圖如圖1所示。

圖1 通用定時器設計框圖

從模式控制單元負責時鐘源和觸發信號源的選擇，同時控制計數器的起停、復位和門控等；時基單元為定時器的核心單元，負責時鐘源的分頻、計數和溢出重裝等；輸入單元則為部分時鐘信號、捕捉信號以及觸發信號等提供信號源；比較輸出單元通過對比較寄存器與計數器的數值匹配比較，實現不同輸出波形；觸發輸出單元輸出觸發信號給其他定時器或外設，觸發信號包括了更新事件、觸發事件、輸入捕獲、輸出比較、剎車信號輸入以及COM換相事件；捕捉比較單元是輸入捕捉或比較輸出的公共執行單元。

2.2 PWM設計

高級定時器輸出PWM作為無刷直流電機控制中的重要控制源，也是高級定時器的設計重點。PWM的頻率由TIM_ARR寄存器確定，占空比由TIM_CCR寄存器確定，而PWM模式則根據寄存器TIM_CCMR和TIM_CR1的配置確定，插入的死區時長則由TIM_BDTR寄存器配置的值而定（見表1）。

表1 PWM相關寄存器

圖2清晰地畫出了PWM的設計原理，其中TIM_CLK為TIM的工作時間，以此時間為計數周期，CNT從0開始計數，且PWM變化為高電平，當CNT計數至CCR配置的數值，PWM變為低電平，計數器繼續計數至ARR配置的數值，PWM變為高電平，計數器重新由0開始計數。以此來產生固定占空比和周期的PWM。

圖2 PWM設計波形

帶死區的PWM（見圖3）是以PWM_REF為基準信號，通過DT_CNT計數器插入相應時間的死區。

圖3 帶死區的互補PWM設計波形

值得一提的是，僅高級定時器能夠實現的COM換相事件是專為電機控制設計的，用于同時控制所有通道的輸出轉化。在電機控制中同時轉換所有PWM的輸出是十分常見的應用。無刷直流電機換向時，通常三相同時換向，意味著同一時刻6路PWM同時變化。運用COM換相事件可實現同時換向的功能（如圖4所示），其中PWMx′為PWMx的互補信號。根據應用需要，預先設置好每相的換相參數（配置影子寄存器），然后通過軟件配置相應的寄存器調用高級定時器發生COM換相事件，此時預先配置好的換相參數會自動載入有效寄存器內，下個時刻6路PWM同時變化。

圖4 COM換相事件觸發PWM變化

3 MCU定時器在無刷直流電機控制中的應用

3.1 無刷直流電機控制硬件設計

無刷直流電機控制系統設計方案如圖5所示[11-12]。該電路主要包括三相全橋驅動電路、位置檢測電路、過流保護電路、調速電路、欠壓和過壓保護電路。首先電源模塊為三相全橋驅動電路提供直流電壓，MCU接收到由霍爾傳感器產生、經過信號調節電路后的位置信號以及轉速設定信號，經處理后的信號轉化為換相信號，隨后MCU輸出PWM信號經過驅動電路讓三相全橋驅動電路進行換相工作，輸出三相交流電驅動無刷直流電機，進而完成整個電機的控制運行。

圖5 BLDCM控制系統

三相全橋驅動電路是目前常用的一種驅動電路，采用該電路的無刷直流電機控制系統，可以減少電流波動和轉矩脈動，使得電機輸出較大的轉矩，系統調速穩定便捷[13]。三相全橋驅動主回路由6個N溝道MOS管組成，如圖6所示，驅動橋分為上橋臂和下橋臂Q1～Q6，上下對應2個橋控制三相電機的一相[14]，2個來自MCU定時器模塊的輸入信號控制橋臂的開與關，例如Q1和Q2控制A相，PWM1_H和PWM1_L分別控制上橋臂Q1和下橋臂Q2的開關狀態。

圖6 無刷直流電機PWM脈寬調速電路

MCU在無刷直流電機控制系統中起到了至關重要的控制作用，作為該系統的主控芯片，MCU具備同時執行多個不同功能的能力，如開關管的通斷控制[9]、電流檢測、位置檢測、算法處理等。中科芯研制的CKS32F030C8T6型號MCU芯片采用CortexM0內核，其處理功能優異，與優化的Flash緊密結合，具有豐富的外部接口，因此僅需少量外設即可滿足電機控制系統設計需要。CKS32F030C8T6自帶多路12位AD轉換器，可直接采集多個電壓信號，通過與限定電壓值進行比較，從而實現過流保護以及欠壓和過壓保護等功能。此外，CKS32F030C8T6芯片自帶溫度傳感器，可直接采集溫度信號，根據所采集的溫度信號調整轉速，該功能可以在惡劣的環境中保護電機。不僅如此，它還擁有多個定時器，包括基本定時器、通用定時器和高級定時器，其中用于控制電機的高級定時器可以輸出6路PWM，因此，該MCU芯片可以全方面滿足電機控制需求。

6路PWM控制三相全橋驅動電路中6個MOS管的通斷。電機的轉速隨著繞組線圈的電流增大而增大[15]。因此，增大PWM的占空比，延長電機做功時間，電機轉速就會增大。

在圖6所示的三相全橋驅動電路中，受PWM調制的MOS管處于PWM的關斷電平時將同橋臂的下管打開。這就要求上下橋臂的MOS管做互補對稱輸出。然而在實際電路中，MOS管的導通和關斷都有一定的延遲時間，可能存在上下橋臂同時進行導通和關斷操作的情況，這就會造成橋臂短路或近乎短路，因此在MOS管通斷過程中需植入死區時間。

3.2 定時器PWM應用實現

無刷直流電機試驗平臺的搭建所需設備包括控制系統（見圖7）、無刷直流電機、電機加載測試系統、計算機、J-LINK仿真器和示波器等。試驗所用電機參數如下：額定電壓為24 V，額定功率為100 W，額定轉速為2500 r/min，極對數為4，試驗時電機僅進行空載運行。

圖7 BLDC控制系統實物圖

當電機上電正常運轉后，電機轉速設定為300 r/min，MCU根據換相信號輸出PWM波。由于示波器通道限制，圖8中給出了3路PWM信號，通道1為上橋臂PWM1_H控制，通道2為上橋臂PWM2_H控制，通道3為上橋臂PWM3_H控制。圖9給出了2路互補帶死區時間的PWM波形，PWM1_H和PWM1_L。此時PWM的頻率設置為16 kHz，占空比為45%，插入死區時間為3.125μs（見圖10）。PWM的頻率實測值為15.68 kHz，占空比實測為45.1%，死區實測時間為3.20μs。

圖8 MCU輸出3路PWM波形

圖9 2路互補帶死區PWM波形

圖10 插入死區的PWM波形

4 結論與展望

無刷直流電動機是伴隨著新興電子技術的發展而誕生的新型一體化電機，它綜合了電力電子技術、微電子技術、電機技術以及控制理論等多個學科的前沿理論知識。本文主要設計了一款CSK32F030C8T6型號MCU中的高級定時器，該MCU作為無刷直流電機控制系統中的主控芯片，具有設計簡易、成本低、便于應用的優勢，其性能參數也符合理論值。