無刷直流電動機也稱為電子換向電動機，顧名思義，BLDC 也是直流供電的。主要特點是 BLDC 電機不使用電刷，而是電子換向。

　　BLDC 有一個帶有永磁體的轉子和一個帶有繞組的定子。它本質上是一個內外翻轉的直流電機。電刷和換向器已被取消，繞組連接到控制電子設備。控制電子設備取代換向器的功能，同時為適當的繞組供電。

　　通過去除電刷和機械換向，我們消除了火花，這是 BLDC 電機的優勢之一。BLDC 可能更清潔、更快、噪音更小、效率更高、更可靠，但確實需要電子控制。

　　本文討論了微控制器運行高效 BLDC 電機控制算法所需的主要特性，并介紹了 Kinetis 系列 MCU 如何實現這些特性（以及如何使用它們）。還提到了 Kinetis 技術進行電機控制的理想應用。

　　簡要介紹了電子電機控制，但建議了解 BLDC 電機控制的基本知識。

　　電子電機控制的好處

　　使用先進的電機控制技術和三相無刷電機，與簡單或無控制的單相電機相比，為產品的最終應用和支撐結構提供了多種好處。無刷電機比有刷電機效率高得多，最明顯的原因是電刷在轉子上施加寄生扭矩（浪費的能量）。刷子的其他問題是：扭矩故障、可聽見的噪音、機械磨損。另一方面，可以控制無刷電機以獲得低噪音和平坦的扭矩響應。沒有刷子也意味著更少的維護需求（刷子磨損并需要更換）。相同功率和尺寸空間的無刷電機也將比有刷電機運行得更快。

　　無刷電機還允許設計有刷電機難以或不切實際的電機外形，例如：“煎餅”電機，一種開始在洗衣機和泵中使用的扁平電機，以及帶有“外部”轉子（轉子的永磁體位于定子繞組的外部而不是內部）。

　　典型的 BLDC 電機控制系統

　　與任何控制系統一樣，典型的電機控制系統將包括一個控制或“輸出”部分和一個反饋或“輸入”部分。在典型的電機控制系統中，抽象表示如下。

　　圖 1：簡化的電機控制系統

　　基本要素是：

　　功率放大器（可以從單個電源開關到由 6 個功率晶體管制成的三相逆變器）。

　　每個感測變量的反饋：在電機控制系統中，最基本的反饋是速度（或位置，可以從中獲得速度）。速度/位置傳感器有多種形式。在 BLDC 系統中，最典型的傳感器是霍爾效應傳感器，每個相位一個，這些傳感器用于確定轉子何時移動了一步，移動發生的時間段用于確定電機的速度。進入電機的電流是另一個重要變量，在 DC 和 BLDC 電機中，電流與電機扭矩直接相關，在正弦電機中，它也與扭矩有關，但不是線性關系。在這些電機中，它也是一種重要的反饋方法，在磁場定向控制 （FOC） 技術中，它是一個基本變量。請注意，有一些方法可以在沒有傳感器的情況下估計轉子的位置，

　　速度和電流（扭矩）參考：這是定義預期輸出的用戶或系統輸入。這些可以是 HMI 中用戶的直接設置，也可以是來自另一臺計算機或系統通過串行通信鏈路的自動控制。

　　速度和電流控制器：在基于 MCU 的電機控制中，這些模塊通常由軟件組成。高級 DSP 控制器和帶有 DSP 協處理器的 MCU（例如 Kinetis MCU 中的 ARM? CortexTM-M4 內核）可以幫助進行執行控制功能所需的數學計算。電機系統中最典型的控制形式是 PI（比例 - 積分）。通常不使用 PID 控制器，因為 D 項（導數）會使系統容易受到高頻噪聲的影響。D 項的優點是提高對輸入快速變化的響應，因為電機是緩慢的機械過程（與其他可控變量相反），并且電機緩慢啟動以避免電流峰值，適應快速變化的優勢確實沒有幫助。

　　BLDC電機控制系統

　　BLDC 電機控制是一個三相系統。圖 1 中的圖表需要更多細節來全面解釋 BLDC 電機控制系統。

　　圖 2：BLDC 控制框圖

　　請注意，這種塊級表示適用于有傳感器和無傳感器 BLDC 電機控制器。主要區別在于速度反饋和輸入部分。典型的傳感 BLDC 應用將使用三個霍爾效應傳感器作為速度/位置反饋，控制器只需要輸入引腳和一個定時器來檢測開關模式和開關周期。另一方面，無傳感器算法將測量在特定時刻未被驅動的電機相位產生的 BEMF（反電磁力）電壓，以測量該電壓的變化率并推斷電機基于該測量的速度。這需要一個 ADC 或模擬比較器和一個定時器，以及一些更復雜的代碼。在以下部分中，將討論 Kinetis MCU 的外設解決此問題的方式。

　　軟件組件

　　保持電機和控制器運行的軟件具有特定特性，在某些情況下，這些特性僅在控制系統中常見。下圖顯示了有傳感器和無傳感器 BLDC 電機控制系統中最重要的組件。

　　圖 3：傳感 BLDC 應用中的典型軟件組件

　　從上圖中有幾點需要指出：

　　模擬輸入：模擬輸入需要足夠快的采樣速度，以便數據在采樣周期內可用。這在無傳感器 BLDC 應用中非常關鍵，在這些應用中，至少每個 PWM 脈沖都需要可用數據來精確確定過零發生的時間。請注意下面的數字。第一個是通常用于測量 BLDC 電機 BEMF 的信號的示波器屏幕截圖。可以注意到，由于 PWM 信號對其他相位的影響，信號是有噪聲的。信號需要在特定時刻進行采樣，與 PWM 信號同步，使過零檢測信號準確且可重復（如下圖所示）

　　圖 4：BEMF 信號和同步采樣窗口

　　PWM 信號換向：BLDC 電機控制中的一個重要過程是換向，打開和關閉正確的組合輸出以創建用于 BLDC 電機控制的 6 步換向序列。除了需要一個 6 輸出 PWM 模塊外，BLDC 電機控制系統還需要能夠打開和關閉 PWM 信號（用于換向）。因此，進入電機的開關模式不會出現毛刺，開關不應干擾或影響 PWM 信號（與換向模式異步）。周期性的毛刺會轉化為不均勻的扭矩甚至是可聽見的噪音。

　　數學運算：有幾個數學過程會定期發生。其中最密集的是 PI 控制器。為了保持一致的輸出，PWM 信號必須定期更新，它們的刷新率提高了控制的準確性，這意味著如果 PI 控制器執行得更頻繁，給定一個經過適當校準和表征的系統，結果會好很多。求解 PI 控制器所需的操作通常是 CPU 密集型的，并且由幾個點積操作組成。這些操作在典型的 CPU 內核中傳統上很慢，因此優化算法和專門為數字信號控制和處理而設計的指令，例如一次執行多個操作或從多個來源獲取數據，

　　延遲：上述過程不能在確切的時間或恰好在另一個之后發生。他們需要定時。在普通的 MCU 中，這會發生使用定時器，手動打開和關閉定時器。這種在每個控制周期同步定時器的過程加起來很長，當達到最高速度并且切換發生在非常快的周期時，它就成為一個特殊的問題。硬件輔助延遲和觸發器通過卸載 CPU 來提高電機控制器的效率。下圖突出顯示了一個例子。

　　圖 5：BEMF 信號和同步采樣窗口

　　圖 6：手動觸發

　　即使是一個簡化的例子，很明顯能夠自動觸發 ADC 轉換會減輕 CPU 的負擔，否則可能會影響整個應用程序的性能（例如，能夠以 9600 或 19200 bps 的速度進行通信的區別。這些類型的功能加起來可以提高電機控制性能。以下部分將概述在支持電機控制的 MCU 中實現的一些交互以提高性能。

　　詳細的軟件 - MCU - 硬件交互

　　最簡單的 8 位 MCU 能夠進行感應式 BLDC 電機控制，只要它具有三個 PWM 輸出、三個通用輸出、三個通用輸入和一個額外的定時器，通過一些巧妙的軟件，甚至可以避免額外的定時器。這并不意味著它會是一個理想的解決方案，它可能會在速度和扭矩控制方面受到限制，它也缺乏檢測故障和采取措施避免故障的能力。這樣的解決方案在使用低功率且風險很小的低端設備（例如小型計算機風扇）中是有意義的。

　　大多數電機控制系統需要更多功能。扭矩控制：至少添加一個ADC通道和放大器（用于分流電阻）。過壓和欠壓監控：添加另一個 ADC 通道。自動故障檢測：添加至少一個觸發所有 PWM 信號被禁用的輸入引腳。無傳感器操作：再添加三個 ADC 通道，最好連接到延遲單元，以定期精確觸發轉換。更復雜的控制算法需要更多的支持功能。

　　以下是電機控制 MCU 中有助于提高 BLDC 電機控制性能的特性列表：

　　圖 7：PWM 到 ADC 同步

　　圖 8：帶有死區時間插入的互補開關（以灰色顯示）

　　Kinetis

　　MCU

　　飛思卡爾Kinetis MCU 代表了業界最具擴展性的 ARM? CortexTM-M4 MCU 產品組合。Kinetis 設備有許多不同的衍生產品，從低引腳數/低速設備，到總線時鐘速度高達 120 MHz 的以太網和高速 USB 設備。這些器件還采用創新的 90 nm 薄膜存儲 （TFS） 閃存技術和獨特的 FlexMemory（可配置嵌入式 EEPROM）。Kinetis 設備包括一組核心外設，然后基于特定應用程序的基本功能構建。特定外設差異化示例：段式 LCD、USB、以太網、用于醫療或計量的模擬前端等。大多數 Kinetis 設備中的基本功能集以及所有電機控制功能，將在下一節中詳細介紹，

　　Kinetis 電機控制功能

　　在電機控制方面，Kinetis MCU 系列部件包括一個能夠執行中低復雜度電機控制算法的基本子系統。下表詳細介紹了這些功能，建立在前幾節的基礎上，但詳細說明了 Kinetis 技術如何實現電機控制功能。

　　適合 Kinetis 技術的電機類型和控制算法

　　憑借上述功能以及適當的電機控制軟件，Kinetis 技術能夠執行以下控制算法。

　　DC（正向、反向、雙極、單極）：有刷直流電機只需要一個 PWM 通道和一個輸入即可控制傳感器。更復雜的算法可以包括使用 4 晶體管 H 橋進行正向反向控制，以及用于電流再循環的雙極控制。

　　FlexTimer 模塊：四個 PWM 通道。如果將正交編碼器用作傳感器，則第二個 FTM 可用作正交編碼器輸入。

　　ADC：電機電流和直流母線電壓（均為可選）。

　　GPIO：速度/位置傳感器。

　　DSP指令：PI控制器。

　　步進（單極、雙極、全步、半步、微步）：步進電機是另一種類型的電機（有刷直流），它非常容易控制（單極、全步），但可以提高復雜性以達到更好的性能（雙極、半步、微步）。盡管許多應用甚至不需要反饋（精確計算控制器采取的步數就足夠了），但微步（一種用于獲得軟扭矩/步進曲線的算法）確實至少需要電流反饋。

　　FlexTimer 模塊：八個 PWM 通道。

　　ADC：電機電流和直流母線電壓（均為可選）。

　　GPIO：速度/位置傳感器。

　　BLDC 傳感器：如前所述，關鍵組件是 6 個 PWM 通道和一個輸入捕獲通道，用于測量霍爾效應傳感器開關周期的速度。

　　FlexTimer 模塊：六個 PWM 通道。如果將正交編碼器用作傳感器，則第二個 FTM 可用作正交編碼器輸入。同步重新加載 PWM 值。PWM 信號的屏蔽、交換和軟件輸出控制，以實現有效換向。

　　ADC：電機電流和直流母線電壓（均為可選）。

　　GPIO + 1 輸入捕捉：霍爾效應速度/位置傳感器。

　　DSP指令：PI控制器

　　BLDC 無傳感器：雖然聽起來復雜性相似，但這是電機控制的轉折點之一。沒有任何 MCU 可以實現高性能的無傳感器 BLDC 電機。

　　FlexTimer 模塊：六個 PWM 通道。同步重新加載 PWM 值。屏蔽 PWM 信號以實現有效換向。

　　ADC：電機電流和直流母線電壓（均為可選）。

　　ADC 或比較器：對三相信號進行采樣以檢測過零。

　　輸入捕捉：測量過零時間。

　　延遲塊：在沒有任何 CPU 干預的情況下正確計時開始采樣。

　　DSP指令：PI控制器。

　　帶傳感器的 PMSM（FOC、正弦調制、三個分流電阻器）：PMS（永磁同步）電機的結構類似于 BLDC 電機：永磁轉子和定子采用三相繞組。與 PMSM 電機的不同之處在于，由于它們的結構，它們可以更有效地由正弦信號（由 PWM 輸出模擬）控制。磁場定向控制 （FOC） 是與正弦調制結合使用以控制這些電機的先進技術，它包括在數學上（通過矩陣運算）將檢測到的為電機供電的電流從正弦信號轉換為兩個線性矢量。然后這些矢量由 PI 控制器控制，然后轉換回正弦信號。

　　PMSM 無傳感器（FOC、正弦調制、三個分流電阻器）：PMSM 無傳感器技術實施起來非常復雜，并且對 CPU 要求很高。Kinetis MCU 可以運行 PMSM 無傳感器算法，但在執行其他關鍵任務的可用資源方面可能會達到實際限制。

　　ACIM V/Hz：ACIM（交流感應電機）是電機控制復雜性的另一個重要飛躍。最重要的原因是它們是異步的。雖然前面描述的電機有一個永磁轉子，它使轉子與定子電場完全同步（當控制正確時），但 ACIM 電機沒有永磁體，因此鐵芯“跟隨”定子電場但有一定的角度稱為“滑移”的相位差。在這些電機中，電機速度、轉矩、頻率和電壓之間的關系不是線性的，因此這些電機的精確控制非常復雜。用于簡化 ACIM 控制的一種技術是使用 Volts-per-Hertz （V/Hz） 曲線。本質上，這意味著創建一個電壓和頻率值表，其中電機將適當加速。這種技術不會輸出最精確的結果，但它很簡單，因此在許多不需要非常高的精度的應用中，這可能是一個很好的選擇。

　　飛思卡爾在市場上擁有優越的地位，可以提供廣泛的解決方案來滿足幾乎所有的客戶需求。對于更先進的電機控制解決方案，飛思卡爾提供了廣泛的產品組合，甚至可以涵蓋最苛刻的應用。

　　在某些情況下，可能需要 DSC 控制器的專用 DSP。飛思卡爾擁有大量采用數字信號控制器或 Power Architecture? 技術實施的解決方案庫，可幫助客戶快速應對實施高級電機控制算法所帶來的挑戰，例如復雜范圍的磁場定向控制、單分流 PMSM 控制甚至高級無傳感器啟動過程。。

　　理想的 Kinetis 技術 + 電機控制應用

　　Kinetis MCU 非常適合用于許多電機控制應用。通過提供廣泛的引腳對引腳兼容解決方案和關鍵模塊路線圖，旨在實現最佳電機控制。

　　非常適合 Kinetis MCU 的電機控制應用示例：

　　中小型電器：許多電器不需要先進的電機控制，但會受益于更簡單的電機控制以及 Kinetis 技術中的其他功能，例如，高端咖啡機可以在水泵中配備電機控制器或一體式咖啡研磨機。

　　玩具：從振動到機器人運動，許多玩具都使用簡單、經濟高效的電機。

　　工業控制：盡管許多工業控制系統是分布式的并且依賴于處理器網絡，但具有成本效益或多用途的工業面板可以包括用于小型傳送帶、風扇或泵等的嵌入式 BLDC 控制器。

　　結論

　　飛思卡爾在電機控制市場擁有創新歷史，將 Kinetis 系列添加到電機控制解決方案組合中；飛思卡爾繼續擴大其選擇范圍以滿足各種客戶要求。

　　受市場對降低功耗、噪音和提高效率的持續需求的推動，BLDC 電機的使用量不斷增加。飛思卡爾致力于提供有針對性的解決方案，幫助客戶在其應用中快速實施電機控制，無論是在工廠自動化市場、電器還是醫療領域。我們了解客戶面臨的挑戰，并且隨著產品和支持解決方案的不斷增加，我們努力讓客戶快速有效地進入市場。

　　Kinetis MCU 系列代表了行業許多領域中大量電機控制應用的絕佳選擇。飛思卡爾推出具有 DSP 功能的 120-150 MHz ARM? CortexTM-M4 內核，以及單周期 MAC、單指令多數據 （SMID） 擴展和單精度浮點單元等特性，支持電機控制應用所需的密集數學處理算法。專為承擔電機控制任務而設計的關鍵模塊，例如飛思卡爾的 FlexTimers，總共提供多達 20 個通道。硬件死區時間插入和正交解碼以及精確的 ADC 轉換模塊使 Kinetis 系列能夠滿足您的許多電機控制需求。