许多应用都能看到功率低於300W的小型马达,包括汽车、印表机、影印机、进纸机、工厂自动化、航太和军事载具、测试设备和机械人。马达生产数量约与其功率成反比,因此小型马达的生产数量远高於大型马达。最受欢迎的小型马达为直流马达、无刷直流马达和步进马达。
马达控制专用数位讯号处理器(DSP)主要支援大型离线马达(off-line motor),其成本对於小型马达控制系统通常太高,这使得小型通用微控制器在多数情形下已成为小型马达控制应用的最低成本解决方案。选择马达控制应用的 微控制器时,许多有助於系统的功能规格都应列入考量,因此在为这类应用选择最适合的微控制器时,逐一评估这些功能规格就显得非常重要。
计时器选择
简单的步进马达可能只需要一个通用计时器,直流马达和无刷直流马达则需要脉冲宽度调变 (PWM) 计时器控制马达转速。解析度和频率是PWM计时器的重要特色,其频率应大於马达线圈的时间常数,并且超出人耳听觉範围;但频率也不能太高,才能将开关损耗 减至最低。16至24 kHz之间的PWM频率最适合小型马达。
8位元的PWM解析度对於大多数应用已经足够——若应用只需几种转速,8位元解析度就能满足要求。对於转速範围(speed range)小於10比1的闭迴路控制,8位元解析度也能应付自如。若应用要求更大转速範围的闭迴路控制或超过1%的精确调速能力,就必须使用更高的解析度。20kHz的10位元PWM解析度需要20MHz以上的高速系统时脉。
类比数位转换器和支援
大多数的小型马达控制应用都需要类比数位转换器,它可内建於晶片或使用外部零件;除了测量马达电压、直流链电压(dc link voltage),马达电流、转速计电压和转速控制电位计之外,类比数位转换器还能用来测量系统控制变数,例如温度、气流和位置。马达控制系统所重视的类 比数位转换器参数包括解析度、取样速率、通道数目、电压参考和差动测量能力,这类应用所需的解析度是由回授和控制系统的动态範围决定,一颗8位元类比数位 转换器已能满足转速控制电位计和直流链电压的测量需求,马达电压、马达电流和转速计电压可能需要很大的动态範围。若应用要求100到1转速範围的调速能 力,系统就必须在只能使用类比数位转换器一小部份工作範围的情形下保持稳定,例如8位元类比数位转换器以1%满刻度测量回授参数时只能提供2.5次读数, 10位元类比数位转换器则提供20次有用读数。
马达电流的测量尤其容易发生问题,它通常会以阻抗很小的感测电阻搭配外接的运算放大器,然后利用差动测量取得精确的测量结果,但这类电路极易受 到杂讯影响。高取样速率的类比数位转换器和高速处理核心可用来执行超取样和均值计算,这种方式在出现马达杂讯时仍能精确测量马达电流。
电源供应杂讯是马达控制电路的常见问题,晶片内建电压参考对於温度和电流等参数的绝对测量非常有用,还能协助类比数位转换器提供胜过使用VDD 电源的更高精确度和更低杂讯。在某些极为重视成本的应用中,设计人员还能以低参考电压搭配晶片内建的可程式增益放大器,省下原本需要的外接电流感测运算放 大器。
对於需要由硬体提供过电流或过热保护的马达控制应用,晶片内建比较器也极有助益,它能用来产生中断或捕捉计时器事件,对於测量无刷直流马达应用 的马达电压或反电动势零值交叉(back-EMF zero crossing)也有很大帮助,这需要三组比较器或是一组比较器搭配三输入多工器。
系统内通讯
小型马达通常是较大型系统的一部份,故需通讯周边让负责马达控制的微控制器发出或接收控制及命令。小型马达可能采用类似於个人电脑风扇或电路板系统的SMBus或I2C界面,复杂系统也可能以SPI汇流排做为两颗或多颗微控制器间的通讯管道。SPI汇流排还能用於SPI周边装置,例如串列式EEPROM、即时时脉或外接的类比数位转换器。小型马达控制系统也会使用以UART为基础的协定,例如RS232、RS485和LIN汇流排。
受到接脚数目限制,有些微控制器只提供UART或SPI之一,其它产品则必须在SPI以及SMBus或是I2C之间做出选择。虽然有可能以软体模拟这些周边之一,但在多工马达控制系统中模拟周边通常并不切实际,理想解决方案应能让设计人员选择终端应用所需的通讯周边。
I/O接脚数决定体积
I/O接脚数目对於封装体积和微控制器的选择影响很大。接脚总数是由马达类型、PWM输出,类比输入、通用I/O接脚和通讯周边决定。小型直流 马达系统可能只需11只或更少的接脚,无刷直流马达系统通常则要20或28只接脚。典型的8接脚SOIC微控制器仅提供6只I/O接脚,小型微引线架封装(microlead frame packaging)则能在更小面积中提供更多接脚。设计人员为马达控制应用选择小型微控制器时,必须将许多重要的微控制器特性列入考虑,例如PWM计时器、类比数位转换器支 援、晶片内建电压参考、晶片内建比较器、通讯周边、I/O接脚以及弹性的类比和数位多工能力,这样才能让他们的马达控制应用设计发挥最大效能。
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