基于靈動微 MM32SPIN360C 的低壓無刷電機應(yīng)用方案

近年來，無刷直流電動機在現(xiàn)代社會的眾多領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，包括電動汽車、家用電器、辦公自動化、工業(yè)控制、醫(yī)療器械等領(lǐng)域都有它的身影。它除了保持有刷直流電動機優(yōu)越的啟動性能和調(diào)速性能外，其最大的特點就是沒有換向器和電刷組成的機械接觸結(jié)構(gòu)，因而具有低損耗、高效率、壽命長、噪聲低、運行可靠、維護(hù)簡便等一系列優(yōu)點。

雖然無刷直流電機有諸多優(yōu)點，但是在控制上卻有一定難度。無刷直流電機的機械結(jié)構(gòu)簡單，這就要求驅(qū)動電路要有一定的復(fù)雜度，并且需要由 MCU 產(chǎn)生電機所需要的波形來控制電機的轉(zhuǎn)動。

匯英同創(chuàng)針對低壓無刷電機，推出基于靈動微 MM32SPIN360C 的無刷電機驅(qū)動方案。此方案采用的 MM32SPIN360C 內(nèi)部集成了一部分驅(qū)動電路，所以方案的外圍電路比較簡單。適用于多種應(yīng)用場合，比如空氣凈化器、服務(wù)器風(fēng)機、吊扇、落地扇、電動手工具、吸塵器、無人機電調(diào)、小型水泵等。

MM32SPIN360C 無刷電機開發(fā)板

主控

主控 MCU 采用的是 靈動微 MM32SPIN360C，使用高性能的 ARM Cortex-M0 為內(nèi)核的 32 位微控制器，最高工作頻率可達(dá) 96 MHz，內(nèi)置高速存儲器，豐富的 I/O 端口和多種外設(shè)，包括：

128KB Flash，12KB SRAMB

包含 12 位的 ADC，采樣速度高達(dá) 1Msps

5 個通用定時器、2 個針對電機控制的 PWM 高級定時器

1 個 I2C 接口、2 個 SPI 接口和 2 個 UART 接口

針對電機應(yīng)用內(nèi)置 3 個運放，3 個比較器

內(nèi)嵌經(jīng)出廠調(diào)校的 48MHz 高速振蕩器

內(nèi)置預(yù)驅(qū)工作電壓 7V ～ 48V

5V LDO 穩(wěn)壓器，輸入電壓最高 13.5V

提供 QFN48 封裝

MM32SPIN360C 框圖如下圖所示：

圖 2 . 靈動微 MM32SPIN360C 框圖

N-MOSFET

電機驅(qū)動部分，方案采用 6 顆 N-MOS 管來做電機的電子換相控制。芯片采用的是國產(chǎn)的 體積小、功耗低、漏源電壓（VDSS）可以達(dá)到 60V，連續(xù)漏電流（Id）可以達(dá)到 42A，開關(guān)頻率可以達(dá)到 30KHz 以上。

電源

方案采用的電源芯片是圣邦微的 LDO： SGM2225-ADJ，其特點如下：

寬電壓輸入 Vin：3.6~36V

輸出電壓可調(diào) Vout：1.8V~15V

最大輸出電流 Iout：800mA

低噪音、低損耗電壓

封裝小，最小封裝大小為 3*3mm

過流/短路保護(hù)

過熱保護(hù)

工作溫度范圍：-40~+125℃

驅(qū)動軟件說明：

方案的軟件部分采用靈動微的 FOC 軟件庫架構(gòu)，整個軟件結(jié)構(gòu)清晰易懂。軟件采用雙環(huán)控制（電流環(huán)+速度環(huán)），矢量控制的框圖如下圖所示：

圖 3 . 電機矢量控制框圖

SVM

空間矢量脈寬調(diào)制（SVM）是 FOC 的基礎(chǔ)，是根據(jù)其所在扇區(qū)選擇非零矢量與零矢量合成而成，有五段式、七段式、混合式。七段式開關(guān)次數(shù)較多，但諧波較小；五段式開關(guān)次數(shù)是七段式的一半，但諧波較大。

代碼采用的是七段式。其實現(xiàn)流程大致如下：

① 判斷合成矢量所在扇區(qū)

② 計算相鄰矢量作用時間

③ 計算各橋臂導(dǎo)通時間

④ 得到各相PWM占空比

⑤ 更新相應(yīng)寄存器值

Current Sensing

在電流環(huán)，軟件中的電流采樣選擇雙電阻采樣，通過采樣 V 和 W 相的下橋臂電阻上的壓降，再用基爾霍夫電流定律計算第三相（U 相）的電流。

圖 4 . 電流采樣原理

SMO+PLL

在速度環(huán)，軟件采用基于滑膜觀測器（SMO）和鎖相環(huán)（PLL）方法對電機轉(zhuǎn)子的速度估計與控制。

軟件架構(gòu)介紹

靈動微的 FOC 軟件結(jié)構(gòu)如下圖所示，這套軟件具有如下特點：

① 時序清晰 —— 僅使用一個常用中斷，減少可能的時序沖突和 BUG。

② 便于移植 —— 算法層、驅(qū)動層、數(shù)學(xué)庫完全獨立，軟硬件配置完全剝離，互不干擾。

③ 定標(biāo)統(tǒng)一 —— 統(tǒng)一 Q15 小數(shù)定標(biāo)。

④ 函數(shù)模塊化 —— 邏輯清晰的狀態(tài)機，簡潔明了的狀態(tài)切換。

⑤ 配置方便 —— 主要參數(shù)配置意義明確，可視化