无刷电机及其控制方案MCU讲解

一、电机（马达）分类

1. DC电机 2. AC电机

有刷电机是传统产品，在性能上比较稳定，缺点是换向器和电刷接触，使用寿命很短需要定期维护及更新。相比之下，无刷DC电机由电机主体和驱动器组成，以自控式方式运行，无论是电机使用寿命、还是性能效率方面，都比有刷电机要好。

从电流驱动角度来看，无刷直流电机可分为正弦波驱动和方波驱动。通常，以方波驱动的电机称为无刷直流电机（BLDC），正弦波驱动的电机则为永磁同步电机（PMSM）。无刷直流电机，跟永磁同步电机，基本结构相似，主要区别在于控制器电流的驱动方式不同。

二、无刷直流电机（BLDC）讲解

BLDC电机中的“BL”意为“无刷”，就是DC电机（有刷电机）中的“电刷”没有了。

电刷在DC电机（有刷电机）里扮演的角色是通过换向器向转子里的线圈通电。那么没有电刷的BLDC电机是如何向转子里的线圈通电的呢？原来BLDC电动机电机采用永磁体来做转子，转子里是没有线圈的。由于转子里没有线圈，所以不需要用于通电的换向器和电刷。取而代之的是作为定子的线圈。

BLDC电机的运转示意图。BLDC电机将永磁体作为转子。由于无需向转子通电，因此不需要电刷和换向器。从外部对通向线圈的电进行控制。 DC电机（有刷电机）中被固定的永磁体所制造出的磁场是不会动的，通过控制线圈（转子）在其内部产生的磁场来旋转。要通过改变电压来改变旋转数。BLDC电机的转子是永磁体，通过改变周围的线圈所产生的磁场的方向使转子旋转。通过控制通向线圈的电流方向和大小来控制转子的旋转。

三、无刷直流电机（BLDC）优势

直流电机都可以设计成有刷、或者是无刷电机，但无刷直流电机（BLDC）通常是大多数应用的首选。不像同步电机那样，无刷电机不需要另外加载启动绕组，同时也不会出现负载突变时产生振荡和失步。BLDC使用电子换向器替代碳刷，更可靠、更安静，运行效率更高，使用功耗也会随之减少，产品寿命也会更长，从长期使用性价比来讲，选择无刷直流（BLDC）使用都是不二的选择。 无刷直流电机还有以下诸多好处：

1. 外特性好，能够在低速下输出大转矩，使得它可以提供大的起动转矩； 2. 速度范围宽，任何速度下都可以全功率运行；

3. 效率高、过载能力强，使得它在拖动系统中有出色的表现；

4. 再生制动效果好，由于它的转子是永磁材料，制动时电机可以进入发电机状态； 5. 体积小，功率密度高；

6. 无机械换向器，采用全封闭式结构，可以防止尘土进入电机内部，可靠性高； 7. 相比异步电机的驱动控制简单。

四、无刷直流（BLDC）控制

无刷直流电机的驱动方式，按照不同类别可分为多种驱动方式，主要有以下几种： 1. 按驱动波形：方波驱动，这种驱动方式实现方便，易于实现电机无位置传感器控制； 2. 正弦驱动：这种驱动方式可以改善电机运行效果，使输出力矩均匀，但实现过程相对复杂。

同时，这种方法又有 SPWM 和 SVPWM（空间矢量 PWM）两种方式，SVPWM的效果好于 SPWM。

常见的BLDC无刷直流电机，由于采用非正弦分布的定子绕组，反电动势为梯形，产生电流也是梯形，所有会出现矩形脉动，进而会导致低速振荡，从而产生音频噪音。采用正弦波的BLDC控制方式（即为：永磁同步电机）使用正弦电流驱动，减少转矩脉动，特别适合低转矩或者安静环境下的使用场合。所以BLDC也可以通过PMSM正弦矢量控制方式运行。

目前，我们所看到的BLDC，大多数控制方式比较统一，主要以6个MOSFET搭配成全桥电路，并以控制电路、驱动电路组合。硬件方面概况起来，主要包含以下几个版块：全桥驱动电路、霍尔反馈电路、电流采样电路等。软件实现上，可以使用方波、或者正弦波（PMSM）方式控制。

五、如何加深学习无刷直流电机（BLDC）

1. 无刷直流马达（BLDC）工作原理

基础性知识比较多，可以自行学习。

2. 有霍尔位置传感器和无霍尔位置传感器的BLDC区别

1) 目前有位置传感器用的比较多，由于它能够准确采样转子的旋转位置，所以更

能稳定可靠运行，控制方式相对来说也简单些。 因此，在很多项目中得到大量使用。

应用领域：特别适合大负载和静止启动的情况。比如，电动车、电动自行车、电动汽车、高铁等中均得到大量而广泛的应用。当然，毕竟马达上多个sensor ，在马达制作工艺方面增加了复杂度，增加了成本。同时，霍尔也存在一定几率的老化不良等问题，对电机的整个寿命产生一定的影响。

2) 由于有位置马达存在上述的弊端，无位置由于没有sensor工艺简单，同时更

加安全可靠，所以在很多场合也得到比较多的应用。在一些复杂恶劣的环境、轻负载的情况下应用，比如风机，空调压缩机，汽车的冷却风扇等。但是，由于位置是根据马达的反电动势计算得来的，因此具有不可靠性。而且在马达静止情况下，由于不存在反电动势，因此转子的位置更加难以确定。所以，不适合马达在静止条件下使用。

综上所诉，有位置的马达的驱动器比较简单，马达相对复杂，可静止启动。无位置控制的马达优点是马达简单控制器复杂，适合轻负载，非零转速启动或者在马达又一定转速下启动。

最后，就是在此基础上，学会霍尔位置传感器部分设计。

3) 电机（马达）控制基础部分

a) 电机的转子、定子采样设计部分：如何整合、外转子和内转子工作原理、

特性，如何实现设计； b) 方波和正弦波的理解。根据实际或项目应用来选择，目前方波马达技术较

为成熟，正弦波控制方式比较复杂，但未来空间更大，主要应用在高性能电机。

c) 电压、转速及扭矩、功率之间关系。学会各种电机参数概念、计算公式及

相互之间的关系。如电压与转速的关系、及马达的电流与转速，效率之间的关系，和如何调速等等。

4) BLDC如何实现电压调速

以三相bldc方波有位置传感器马达为实例，我们以全硬件的方式来搭建驱动器电路。你需要掌握以下这些要点：

a) 三相桥电路的设计：mosfet的选型和设计；mosfet充放电电路的设计 b) 半桥驱动电路的选型和讲解；

c) 自举充电电路学习，如何实现自举电容充电； d) 半桥驱动前级学习：

用全硬件的方式实现马达正转； 实现马达的停止； 实现自取电容的充电

根据霍尔的逻辑信号来实现马达的换向 实现马达的调速

5) 电机调试部分。

熟悉霍尔电路、数字电路、半桥电路、充电电路、桥式电路、马达整机等具体调试方法、步骤。

六、电机控制方案MCU详解

1. 电机控制方案，包括DSP、MCU和FPGA。

DSP因为数据处理能力强、运算速度快，适用于高端复杂的电机系统控制，但它依赖于软件算法的成熟度和稳定性，对开发者的要求比较高。

FPGA通过集成逻辑电路及专用电机驱动电路，能够很好地适用于客户化的电机驱动，但在电机控制的通用性方面略有不足。

MCU通常侧重于I/O接口的数量和可编程存储器的大小，非常适用于有大量的I/O操作的场合，所以广泛应用在低成本，低功耗和对精度要求不高的系统中。但由于本身处理能力有限，应用的场合受到了比较大的。

2. MCU电机控制讲解

MCU是目前市场主流的电机控制方案，适用于高、中、低端电机控制。通过内部集成的电机控制模块，可简化客户对于电机控制的开发；而相对于DSP较强的控制功能，能更好地实现电机的伺服控制和保护功能。

8位MCU主要用于电机控制的低成本，低性能场合，16位、32位MCU则用于中/高性能场合。

七、以下以Infineon XMC1000 MCU举例，详细介绍该MCU的电机控制原理及设计。 XMC1000具有最具扩展性的闪存组合，容量从8KB- 200KB不等。XMC1000的三个不同系列涵盖了众多应用领域。XMC1100系列是XMC单片机的入门级选择，该系列器件具有6个12位A/D转换器通道（转换速率高达1.88兆采样/秒）、4个16位定时器（捕获/比较单元4（CCU4））以及宽工作电压范围（1.8V-5.5V）。这些特性使XMC1000可适用于广泛的工业应用领域。X MC1200系列具有面向LED照明和HMI设计的外设，包括一个电容触控和LED显示控制单元，一个BCCU。BCCU可在处理器几乎不介入的情况下，对LED进行无闪烁调光和颜色控制。该系列产品的工作温度范围为-40°C 到105°C。XMC1300系列可满足电机控制或数字电源转换应用的实时控制需求，它集成一个功能强大的捕获/比较单元 CCU8（支

持8对互补PWM生成和非对称PWM生成），集成位置接口单元（POSIF），支持精确的电机位置检测。XMC1300系列还集成算术协处理器，支持无传感器FOC（磁场定向控制）解决方案，提高电机运行效率。这是其他基于Cortex-M0的单片机产品所没有的。XMC1300系列的工作温度最高可达105°C 。 XMC1000家族成员特性表

功能框图

XMC1000主要特性

-32位ARM® Cortex™-M0（32MHz）内核

-低端领域最具扩展性的闪存组合，容量从8KB- 200KB不等 -适用于软件IP保护的AES 128位安全加载器 -专利的LED色彩控制引擎

-领先的XMC混合信号和定时器外设 -IEC 60730 class B标准兼容

-面向触控和LED显示控制的外设

-面向高端控制回路（CORDIC / DIVIDE）的MHz算术协处理器 -温度范围扩展至105°C

单元模块介绍

XMC1000的BCCU-亮度色彩控制单元 1 概述

BCCU是亮度色彩控制单元（Brightness and Color Control Unit），用于控制多至9个不同的LED。

通过12bit的Delta Sigma反变换把亮度控制值转换为比特流。这种结构使得BCCU还可以连接一个外部RC电路作为DAC使用。

XMC1000系列中，XMC1200和XMC1300带有BCCU模块 2 特性

1）包括3个的Dimming Engine（亮度控制引擎） 2）Dimming Engine支持12位（4096）不同的亮度输出 3）亮度按照指数曲线调节，且步长可调

4）9个的输出通道，输出比特流，可以控制9个不同的LED或作为DAC使用 5）通道可连接一个Linear Walker，它的输出时LED的饱和度（Intensity），支持12位调节 6）通道和Dimming Engine之间可自由连接

7）通道也可连接饱和度调节器和Dimming Engine输出值的乘积 8）每个通道可连接一个Packer，当需要降低开关频率是可用到 9）有两个通道可以连接ADC 3 通道结构

每个通道都是相同的结构，其中左侧是通道的输入（包括Dimming Engine和Linear Walker），右侧BCCU.OUTy是通道的输出，从这个结构框图可以看出BCCU通道的工作分为几步 1）输入的选择和配置

2）输入通过Delta Sigma转换为比特流

3）比特流通过一个可选的Packer，某些LED或其驱动芯片有最短开通时间的，Packer可以用于类似的需要降低开关速度的情况。 4）外部使能是否输出

5）同时Delta Sigma的输出可以产生一个Tigger，用以出发ADC转换等

通道的输入可以有两种，这可以通过修改寄存器DBP来选择，其中Linear Walker的输出为饱和度Intensity

1）Dimming Engine输出和Linear Walker输出的乘积 2）Linear Walker的直接输出

XMC1000的随机数生成单元PRNG 1 背景 PRNG（Preeudo Random Number Generator）是随机码生成模块，可以产生8/16位随机码。 2 工作原理 1）框图

2）工作原理

这个模块通过向随机数序列生成器写入Key，来产生8/16位的随机数，其中随机数序列的产生和Key是唯一对应的。随机Key写入完毕后，可以读出随机序列，随机Key写入和随机序列读出的位置都是PRNG_WORD，不过他们在不同的步骤中操作，所以不会产生冲突。 3）使用

a.首先设定KLD=1，进入Key写入模式，写入随机key，key可以是任意位数，推荐80位，分为5个16bit写入PRNG_WORD中。注意，只有当PRNG_CHK.RDV=1时，才能向PRNG_WORD中写入Key

b.Key写完后，把KLD置为0。然后，当PRNG_CHK.RDV=1，可以从PRNG_WORD中读出随机序列。随机序列可以为8、16位数据，这个通过PRNG_CHK.RDBS来控制。

c.若在随机码产生过程中把KLD置为1，则可继续写入Key，新写入的Key会和之前的Key共同作用于随机序列

d.通过RDBS置为00，可以重启该模块

e.若在重启前，记录随机序列至少80位，重新作为key写入，则随机序列会接着上次的输出继续产生。

XMC1300的MATH协处理器

1 XMC1300芯片带有一个MATH协处理器，它包含以下两个子模块 除法器

Cordic协处理器 2 除法器 特性

可做32位/32位，32位/16位，16位/16位除法 操作

-除法器启动，启动方式有两种，通过设定DIVCON.STMODE来选取， a. 当DIVCON.STMODE=0，写入DVS即启动除法

b. 当DIVCON.STMODE=1，写入DIVCON.ST位即启动除法

-除法器忙，当除法器工作时，DIVST.BSY = 1，这时不要再试图启动其他的除法

-除法器需要35个周期结束，结束时可选择产生中断，并会出现结果置位，这个结果置位需要手动清除。 3 Cordic协处理器

Cordic协处理器可进行三角函数、双曲线函数和一次线性函数，其中函数模式通过CON.MODE来选择。

计算模式包括向量模式和旋转模式，通过CON.ROTVEC来选择

特性

24位精度， Circula模式 旋转模式 输入X，Y，Z 输出

X= K*［X*cos（Z）-Y*sin（Z）］/MPS Y= K*［Y*cos（Z）+X*sin（Z）］/MPS Z=0

其中K=1.6760258121 向量模式 输入X，Y，Z 输出

X= K*sqrt（X^2+Y^2）/MPS Y= 0

Z=Z+atan（Y/X） 主要应用

-计算sin（z），cos（z），tan（z），ctg（z）等 3） 双曲线模式 - 旋转模式 输入X，Y，Z 输出

X=k［Xcosh（Z）+Ysinh（Z）］/MPS Y= k［Ycosh（Z）+Xsinh（Z）］/MPS

Z=0

-向量模式 输入X，Y，Z 输出

X=k*sqrt（X^2-Y^2）/MPS Y= 0

Z=Z+atanh（Y/X）

其中k = 0.828159360960 -主要应用，计算sinh（Z），cosh（Z），tanh（Z），ctgh（Z）等，同时可以计算ln（w），sqrt（W），acosh（w），asinh（W）等 一次线性模式 输入X，Y，Z 输出

X=X/MPS

Y=［Y+X*Z］/MPS Z=0

-向量模式 输入X，Y，Z 输出

X=X/MPS Y= 0 Z=Z+Y/X

4 除法器和Cordic的互联

除法器的输入可以由除法器的结果或Cordic的结果直接输入，这样构成了除法器和Cordic的级联。

比如计算tan（z），可以直接把Cordic的输出sin（z）连接到DVD，cos（z）连接到DVS，这样就可以得到tan（z）。

XMC1000的中断控制器 1 概述

XMC1000系列的中断处理器包括32个中断处理节点 每个节点支持4级中断优先级 支持尾链（tail-chaining ） 支持软中断

2 中断对应表格，可查相应数据手册活产品手册 3 中断功能

由以上框图可以看出，对应于每个中断，都可以由外部或软件触发产生，不过每个中断又需要单独使能才能最终进入中断处理。

同时中断也可以被软件清除，或者当进入中断处理后，硬件会自动清除。

另外要注意的是，当硬件中断和软件清除同时到来，软件清除会被系统忽略，即硬件中断置位优先级高。

从中断触发到进入中断处理程序，一般要花费21个系统周期。 注：尾链技术（Tail-Chain）

这个技术是ARM推出的可以减小中断等待时间的技术。

一般情况下的中断处理，需要先保存堆栈，再出栈，如果中途有新的更高优先级的中断，则需要重新做上一步骤。如果使用了尾链技术，则第二个中断到来时候，不需要重复保存堆栈，再出栈的过程。

XMC1000电机应用相关外设集

PWM - CCU4

多功能16位定时器组

４个完全相同、运行的子单元 实现功能（部分） ― 通用16位定时器

― 的16位PWM生成

― 外部信号捕获（周期，占空比）， 计数功能

― 与其他外设配合工作，如

―与ADC配合，触发延时电流采样

―与POSIF配合，实现转速、位置计算： 霍尔传感器，增量式编码器

―与比较器配合，实现外部事件触发 PWM生成（PFC） PWM - CCU8

CCU8 = CCU4++ 集成CCU4所有功能

８对互补PWM输出（死区） 支持常见的各种电机拓扑PWM生成

― 半桥、全桥、三相全桥、三电平控制等 支持移相PWM：单母线电阻电流采样 与POSIF配合，实现BLDC控制

硬件触发ADC采样 ADC & 比较器

三路、高速比较器单元 -3mV 输入偏置电压 -30ns传输延时

-可触发PWM， A/D操作

-回差可调：0mV，15mV，20mV

位置接口单元 － POSIF

-增量编码器

-霍尔传感器

-多通道模式（BLDC 相关） 应用

-与CCU4配合进行位置、速度的检测 -与CCU8配合进行直流无刷电机控制 位置接口单元 － 旋转变压器接口（DSD）

旋转变压器 -环境不敏感

-系统成本较高、精度受限 应用领域 -伺服控制系统 -汽车、电力、冶金等 通讯接口

XMC1000通用的应用领域： LED 照明 适合领域

-LED 路灯，彩色LED控制，亮度控制等 应用优势

-无闪烁调光及色彩控制

-仅需极少CPU负荷，即可实现调光 -通信接口支持网络连接

数字电源转换

传感器、执行器、通用应用 适合领域

-低端工业、消费类应用

-现有8位微控制器的相关应用 应用优势 -通用、强大

-小封装、大Flash， 大RAM

XMC1000应用在电机控制领域（支持简单控制至无传感器FOC）： 支持各种电机应用

-风机，水泵，家电，电动自行车等 电机类型

-直流有刷电机，直流无刷电机，永磁同步电机 控制算法 -梯形波控制 -简单正弦波控制

-磁场定向控制（FOC）

XMC1000的两个电机控制应用实例

电动自行车（Ebike）控制器 － 双模FOC控制 XMC1300双模FOC方案 功能列表

结构框图

航模控制器 － 高速无感BLDC控制 航模BLDC特点 -体积小，重量轻

-转速高（几千K/V或更高）

业内最高速度（21，0000RPM/1对极）

-无Hall传感器，减少线材，避免潜在故障点 -宽电压范围工作（电池供电） 对MCU的要求

-最好内置比较器实现过零点检出

-尽量硬件实现换相检测，减少CPU占用

-端电压分压后不滤波直接处理，避免RC延时的影响 XMC1300航模控制器Demo介绍

结构框图

-内置三个高速比较器，无须输入信号切换 -POSIF单元处理比较器信号，实现硬件换相

-CCU4配合POSIF实现滤除开关毛刺和续流尖峰处理、换相延时。

家居电机控制框图：

机器人控制框图：