恩智浦LPC1100微控制器在无刷直流电机中的应用研究

无刷直流和无刷交流等先进的电机控制威廉希尔官方网站 已广泛用于各种工业应用之中，这种威廉希尔官方网站 与通用交流电机控制威廉希尔官方网站 相比具有多种优势：效率更高、耐用性更佳、电机成本更低。另一方面，用于驱动电机的电子组件变得日益复杂，结果提高了系统总成本。

白电市场作为价格驱动特征十分明显的细分市场，在洗衣机、洗碗机等家电中应用“新型”电机控制方式显得尤为谨慎。目前，广为人知的传统控制仍是市场的首选，但是近几年来，尤其是在半导体价格逐年下降的背景下，该市场所使用的威廉希尔官方网站 已悄然发生变化。

恩智浦作为一家工业应用半导体供应商，其产品覆盖面十分广泛，包括通用应用产品（整流器、齐纳二极管等）、逻辑和电源产品（双向可控硅、电源IC）以及接口和微控制器产品等。

如今，无刷直流电机（BLDC）已取代传统的有刷直流（BDC）电机，广泛用于各种应用之中。

无刷直流电机不但在效率和可靠性方面有上佳表现，而且拥有更低的噪声、更轻的重量和更长的使用寿命，还消除了换向器火花，减少了总体电磁辐射，因而在白电、暖通空调及工业应用领域日益受到追捧。

与多数电机控制相同，无刷直流电机控制器由控制单元和电源单元构成，恩智浦同时为这两个单元提供极具竞争力的解决方案。本文将重点讨论恩智浦针对功率300W、电压12-30V的无刷直流电机开发的演示板。转子定向反馈利用霍尔传感器确定，并通过个人电脑采用CAN或UART方式与外界相连。

图1

Cortex-M0内核是ARM在2009年发布的最新内核之一，也是市场上体积最小、功耗最低、最节能的ARM处理器，能够以8位产品的价格实现32位产品的性能，为从8位架构跳过16位架构、直接移植到32位架构创造了可能。

ARM Cortex-M0内核基于ARMv6-M架构，采用包含Thumb-2威廉希尔官方网站 的所谓Thumb指令集。

Thumb指令集可以基于16位指令实现32位运算，因而为减小代码大小提供了可能。

Thumb ISA（指令集架构）仅包括56条指令，每条指令均保证执行时间。从这个角度来看，Cortex-M0可提供完全可以确定的响应时间。由于采用的是32位架构，因此，即使是16位指令，也可以用一条指令实现8位、16位或32位数据传输。

至于编程模型，Cortex-M0采用的是由13个通用寄存器（r0-r7 低寄存器和r8-r12 高寄存器）、3个特殊寄存器（堆栈指针、链接寄存器和程序计数器）和1个器件状态指示寄存器（xPSR，程序状态寄存器）构成的寄存器集，如下图所示。

图2

如前所述，所有指令均在固定时间内执行完毕。例如，数据处理指令在一个周期内完成，数据传输指令在两个周期内完成，分支指令（branch）则在三个周期内完成。

除内核以外，Cortex-M0集成了一个可以处理中断和系统异常的嵌套向量中断控制器（NVIC）。Cortex-M0内核具有完全确定的中断处理行为，默认值为16个周期，无抖动。NVIC最多能处理32个优先矢量。与Cortex-M3架构相同，这种架构支持尾链中断（Tail chaining）和后到（Late arriving）中断。

2009年，恩智浦半导体发布了LPC1100家族中的第一款产品，也是首款基于Cortex-M0内核的微控制器系列产品。

据Dhrystone测量结果，LPC1100系列可以提供0.9 DMIPS/MHz的运算能力。

根据基于嵌入式器件真实性能的Coremark （http://www.coremark.org）基准测试，恩智浦LPC1100系列取得了1.4 Coremark/MHz的高分，远远超过8位和16位产品市场的同类产品。与此同时，减小的代码尺寸还可以给用户带来性能上的提升。得益于Cortex-M0架构，开发员平均可以节省40%左右的闪存利用空间。

由于极低的门数，基于Cortex-M0的器件可应用于低功耗应用之中，比如医疗设备、电子计量仪器、电机控制、电池供电型传感器等。ARM出品的Cortex-M系列处理器可支持多种功耗模式：睡眠模式、深度睡眠模式和省电模式。

LPC1100系列最高支持50 MHz的时钟速率，属于零延迟架构，集成简单的AHB-Lite接口。框图如下所示：

图3

LPC111x集成了工业、消费、白电应用中嵌入式控制系统所需要的全部外设。闪存容量最高达32KB，价格65美分/片起（适用采用8K闪存的器件）。

针对无刷直流电机控制需要，LPC1100系列产品集成4个计时器（16位和32位各2个），共有13个匹配输出，每个匹配输出都可配置为PWM模式。其中6个PWM信号在演示板中用于驱动MOSFET的高、低端。

LPC1100上的通用输入/输出（GPIO）具有较高的可配置特性，可用作在上升沿和下降沿激活或者两个沿同时激活的外部中断。转子定向反馈通过这些GPIO中断获取。

图4

LPC1100拥有一个8通道10位模数转换器（ADC），其中一个通道用作过流保护，其方法是通过一个分流电阻测量电机电流。

不用传感器，通过在无刷直流电机换向过程中测量浮动相位电压，侦测转子位置。这要求在获取浮动相位电压时精确计时。在LPC1100中，模数转换可通过四个计时器中两个计时器的匹配事件来触发。这样可以减少CPU负荷，并在适当时刻精确捕捉浮动相位。

为了与外界相连，LPC1100集成了UART和/或CAN接口。

为了进一步支持无刷直流电机，恩智浦标准产品事业部于2009年推出了采用Trench威廉希尔官方网站 的新一代（第六代）Mosfet，为工业部门提供了电机控制等多种应用支持。新型Trench 6 Mosfet产品具有以下优势：降低了低导通电阻RDS（ON）器件的Rspec - mΩ / mm2值，为快速开关创造了条件；降低了栅极电荷和开关损耗；低QG（tot）和低FOM，最大限度地提高了效率；将Tj（最大）提升至175C，为高可靠和高性能应用提供了大力支持。不断扩大的产品组合将为电机控制应用提供完美支撑。

今后，我们的Cortex-M产品研发将支持无刷直流电机的磁场定向控制和U/f控制。这是我们微控制器系列研发理念的延续，我们一贯基于ARM7、Cortex-M0、Cortex-M3、新型Cortex-M4等架构提供相似的外设IP、软件兼容支持和轻松移植能力，彰显了我们对这种理念的传承。

这种策略不但使我们能够针对不同电机控制方法在CPU性能和必要外设之间取得最佳平衡，而且能够在各种项目中实现工具和软件的循环利用（例如，为Cortex-M0编写的软件模块可以在Cortex-M3/M4微控制器中重复利用）。如此一来，我们的客户不但可以大幅缩短上市时间，还能最大限度地减少工具投资（相同的IDE、调试和编程工具）。

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