成本经济的低噪声有刷直流电机控制解决方案

有刷直流(BDC)电机广泛被用于多种应用中，包括许多小型设备和小家电。传统上，小型设备/家电市场采用模拟控制方法来驱动BDC电机。低成本单片机解决方案为BDC电机控制带来方法的重大革新。BDC电机结合带有智能的单片机即增强了此类小型设备的功能，同时又提高了能源效率。

本文描述了BDC电机的基本工作原理和应用。此外，本文还给出了采用单片机的一种低成本实用BDC电机控制方案。在BDC电机中采用高效的单片机设计可以获得运行噪声小、速度和扭矩控制精度高的低成本解决方案。

有刷直流(BDC)电机的工作原理

图1示出的是BDC电机的基本构造。图中画出的组件包括定子、转子、电刷和换向器。定子和转子磁场相互作用驱动电机旋转。有刷直流电机的类型根据电机定子或外壳中磁场的产生方式来划分。根据有刷直流电机的类型，定子磁场可以由永磁铁或定子中的绕组产生。对于后一种情况，定子绕组与转子绕组可以是并行、串行、或混合方式连接。这三种有刷直流电机分别称为并激电动机、串激电动机和复激电动机。


定子产生静止磁场。这一静止磁场围绕在电枢(或称转子)的周围。外加电源激发出电枢磁场。BDC电机轴上还有两个圆弧形的铜片，称为换向片。电机转动时，碳质的电刷在换向器上滑动。这样就可以产生一个与定子的静止磁场相吸引的旋转磁场。电枢和定子绕组中的电流由电池或其它直流电源供给(永磁BDC电机没有定子绕组)。电池(或直流电源)提供恒定的直流电压。电压幅度决定了电机的转速，因此是电池或直流电源是一个线性激励源。改变BDC电机速度的最有效方式是采用脉宽调制(PWM)技术。PWM技术是以固定的频率开关恒压源。改变PWM信号的脉冲宽度可以调节电机的速度。脉冲高低电平间的比例称为PWM信号的占空比。直流电池电平的幅度等于PWM信号的平均幅度。

应用实例：单片机/电机控制实例

单片机设计中带有内建的外设，因此只需要最少量的外部元器件就可以容易地实现BDC电机的速度和方向控制。PIC16F684是一款14引脚单片机，对于低成本双向BDC电机控制非常理想。之所以选择PIC16F684 做为例子，是因为这款单片机带有内建的外设，只需要最少量的外部元器件就可以容易地实现BDC电机的速度和方向控制。这款单片机的两大特点对于BDC电机控制非常有用。首先，片上内建有增强捕获/比较/PWM(ECCP)模块，当配置为全桥模式时，可以提供直接驱动H桥电路所需要的PWM信号。H桥电路可以为电机提供双向电流驱动。PIC16F684第二个非常适合电机控制器的特点是可以产生频率高达31.2 kHz的8位PWM信号。对于电机控制应用来说，这一点很重要，因为低于20 kHz的频率会导致电机产生人听觉范围内的噪声。不需要增加任何外部时钟源，PIC16F684 就可以提供高于听觉频率的8位分辨率。为了获得高出听觉频率范围的频率，此前的单片机需要在运行时降低PWM的分辨率。与其它具备ECCP的单片机相比，PIC16F684体积小且成本效率高。利用片上ECCP模块做为PWM硬件发生器，而不是采用过去的软件解决方案，宝贵的单片机处理器资源可以用于完成其它任务。

此类应用中使用的片上外设除ECCP模块外，还有一个内部10位模数转换器(ADC)。ECCP有捕获模式(可捕获定时器寄存器的16位值)、几个比较器和4个PWM。在无传感器的BDC电机控制应用中，4个PWM通道是一个重要优势。如图2所示，配合外部桥和4个FET驱动器件，单片机的PWM模块可以容易地实现双向电机控制。



图2中的低成本BDC电机控制系统在全桥PWM模式下使用ECCP。用户可容易地配置PWM占空比，并实时改变单片机内部振荡器。此外，利用单片机片上的一个10位ADC来测量反向电动势(EMF)，PIC16F684可以容易地跟踪电机的转速(RPM)。

本应用中的硬件有三个主要部分。一个电源级、一个通信模块(RS-232)和一个RPM及电流测量级。电源级包括提供BDC电机双向控制的全H桥。PIC16F684通过RC2、RC3、RC4和RC5引脚连接到H桥。从RA5引脚通过一个RS-232端口可以将有关PWM占空比、单片机振荡器速率、电机RPM和电流值等指令和信息发送给计算机。虽然实际生产出来的设备很可能并没有这样一个通信接口，但在开发阶段这样一个通信接口非常有用。在实际产品中，RA5可以被赋予不同的用途，如点亮状态指示LED或者读取电位计输入。

通过测量电机的反向EMF电压，不需额外传感器即可以获得电机转速(RPM)。电机转速与反向EMF电压直接成正比。BDC电机是一种感性负载。电机上感生的电压等于电机电感乘以dI/dt 。将对应FET关断(OFF)即可以测量反向EMF电压。这会产生一个反方向流过电机的电流。PIC16F684中的ADC模块可以测量出EMF电压。

通过测量MOSFETs、QB 和 QD, 以及地之间电流检测电阻上的高端电压可以获得电流值。 选择适当的电阻值时需要考虑最大电流和功耗。PWM信号驱动BDC电机。H桥电路仅在PWM信号处于高电平时才吸收电流。采用一个采样和平均算法在多个PWM周期测量结果的基础上算出电流值和电机转速。

对低成本高能效BDC电机解决方案感兴趣的Microchip公司主要客户对于PIC16F684外设的定义做出很大贡献。目前，Microchip正与几大设备生产商合作，他们迫切希望将现有BDC电机控制电路更换为更为智能和先进的单片机解决方案。