世平基於靈動微 MM32SPIN360C 的低壓無刷電機應用方案

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

        雖然無刷直流電機有諸多優點，但是在控制上卻有一定難度。無刷直流電機的機械結構簡單，這就要求驅動電路要有一定的複雜度，並且需要由 MCU 產生電機所需要的波形來控制電機的轉動。

        大聯大世平集團針對低壓無刷電機，推出基於靈動微 MM32SPIN360C 的無刷電機驅動方案。此方案採用的 MM32SPIN360C 內部集成了一部分驅動電路，所以方案的外圍電路比較簡單。適用於多種應用場合，比如空氣淨化器、服務器風機、吊扇、落地扇、電動手工具、吸塵器、無人機電調、小型水泵等。


      關鍵元器件介紹：

1. 主控

        主控 MCU 採用的是 靈動微 MM32SPIN360C，使用高性能的 ARM Cortex-M0 為內核的 32 位微控制器，最高工作頻率可達 96 MHz，內置高速存儲器，豐富的 I/O 埠和多種外設，包括：

• 128KB Flash，12KB SRAMB
• 包含 12 位的 ADC，採樣速度高達 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
• 針對電機應用內置 3 個運放，3 個比較器
• 內嵌經出廠調校的 48MHz 高速振盪器
• 內置預驅工作電壓 7V ∼ 48V
• 5V LDO 穩壓器，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

2. N-MOSFET

        電機驅動部分，方案採用 6 顆 N-MOS 管來做電機的電子換相控制。晶片採用的是 Nexperia 的 PXN012-60QL。PXN012-60QL 體積小、功耗低、漏源電壓（VDSS）可以達到 60V，連續漏電流（Id）可以達到 42A，開關頻率可以達到 30KHz 以上。

3. 電源

        方案採用的電源晶片是聖邦微的 LDO： SGM2225-ADJ，其特點如下：

• 寬電壓輸入 Vin：3.6~36V
• 輸出電壓可調 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
• 過熱保護
• 工作溫度範圍：-40~+125℃

      驅動軟體說明：

         方案的軟體部分採用靈動微的 FOC 軟體庫架構，整個軟體結構清晰易懂。軟體採用雙環控制（電流環+速度環），矢量控制的框圖如下圖所示：

圖 3 .  電機矢量控制框圖

1. SVM

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

        代碼採用的是七段式。其實現流程大致如下：

              ① 判斷合成矢量所在扇區

              ② 計算相鄰矢量作用時間

              ③ 計算各橋臂導通時間

              ④ 得到各相PWM占空比

              ⑤ 更新相應寄存器值

2. Current Sensing

        在電流環，軟體中的電流採樣選擇雙電阻採樣，通過採樣 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 .  電流採樣原理

 

3. SMO+PLL

        在速度環，軟體採用基於滑膜觀測器（SMO）和鎖相環（PLL）方法對電機轉子的速度估計與控制。

4. 軟體架構介紹

        靈動微的 FOC 軟體結構如下圖所示，這套軟體具有如下特點：          

              ① 時序清晰 —— 僅使用一個常用中斷，減少可能的時序衝突和 BUG。

              ② 便於移植 —— 算法層、驅動層、數學庫完全獨立，軟硬體配置完全剝離，互不干擾。

              ③ 定標統一 —— 統一 Q15 小數定標。

              ④ 函數模塊化 —— 邏輯清晰的狀態機，簡潔明了的狀態切換。

              ⑤ 配置方便 —— 主要參數配置意義明確，可視化