一款32位MCU定时器设计及在无刷直流电机控制中的应用*

刘梦影，朱仁龙，史兴强，刘云晶

（中科芯集成电路有限公司，江苏无锡 214072）

1 引言

随着现代科学技术日新月异的发展，智能家居、工业自动化和物流自动化等概念逐步普及深化，在家电领域、车载领域以及工业领域，各类电机在技术方面都出现了新的需求[1]。电器的智能化需要电器对于人机交流产生更快、更精准的反馈，这对于电机控制系统中各类传感器和算法处理能力有更严格的要求；智能化汽车的概念促生了电动后视镜、电动座椅、多风口可控自动变频空调等概念，新增的功能和需求带来了更高的成本压力，同时对于电机控制系统提出了更复杂的要求。

电机控制技术作为智能家居、工业自动化和物流自动化控制过程中的核心技术，已得到了广泛的关注和研究。随着科技的发展，电机在实际应用中的重点已经开始从过去简单的传动向复杂的控制转移，尤其是对电机的速度、位置和转矩的精准控制。常用的控制电机有伺服电机、步进电机、力矩电机、开关磁阻电机和无刷直流电机等几类。伺服电机广泛应用于各种控制系统中，能将输入的电压信号转换为电机轴上的机械输出量，拖动被控对象，从而达到控制目的，当前随着永磁同步电机技术的飞速发展，绝大部分的伺服电机是指交流永磁同步伺服电机或者无刷直流电机；步进电机是一种开环控制电机，其转速和停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，可移植性较差且难以实现人机交互，控制精度低[2]；力矩电机是一种扁平型多极永磁直流电机，可以在电动机低速升值堵转时仍能持续运转；开关磁阻电机是一种新型调速电机，结构极其简单，调速性能优异，但存在转矩脉动、运行噪声和振动大等问题；无刷直流电机是在有刷直流电机的基础上发展而来的，相对于电机超过200年的发展历史，无刷直流电机发展至今只有五十多年，其不仅继承了传统直流电机优异的机械特性和调节特性，而且还具有调速范围广、无转子损耗、高功率密度等良好的特性，目前已广泛应用于军事、医疗、航空航天、工业自动化等多个领域[3-4]。

无刷直流电机系统的搭建，需要考虑的问题就是主控芯片的选型。随着计算机控制技术的发展和电机控制专用芯片的推出以及价格的下降，现代电机控制系统较多地选用具有完善电机控制接口的专用MCU芯片。MCU是集成了微处理器、存储元件与各类周边接口甚至LCD驱动电路的单片微型计算机，例如意法半导体的STM32系列芯片[5]。在IC产业发展过程中，MCU与我们的日常生活息息相关，重要性也日益突出，常用于智能仪器、工业控制、家用电器、网络和通信设备、汽车电子等领域。MCU凭借超高的性价比而备受关注，其具有面积小、重量小、抗干扰、价格低、高灵活性和易开发性等特点[6]，得到了广泛的应用和快速的发展。采用电机专用的MCU芯片可以有效地减小电机控制器的面积，近年来专用MCU技术的发展为无刷直流电机的专用控制提供了强有力的基础[7]。魏再平[8]利用STM32芯片的高性能和灵活的配置，研制了一种应用于电动摩托车上的低压大功率低成本的无刷直流电机控制器，提高了系统的可靠性及维护性。高文武[9]以STM32F103RBT为核心硬件平台，设计了三相全桥逆变电路、功率管自举驱动电路、恒转速调节电路、过流保护电路、过压欠压保护电路等电路，实现了快速平稳启动的无刷直流电机驱动系统，该系统可即时保护电机和控制板。李克靖等[10]使用STM32F103C6T6作为主控芯片，设计了功率管驱动、母线电流采样、过流保护等电路，并加入电角度补偿优化，大幅度降低换相电流波动，减弱电机噪声，使该电控系统能够长时间安全可靠地运行。从发展趋势来看，专用MCU代表了无刷直流电机控制器的发展方向。

目前自主研制的MCU产品CKS32系列已广泛应用于电机方案，其产品系列已覆盖了主流型、高性能、通用性等应用。CKS32F0系列芯片可应用于直流无刷电机的入门级应用方案；满足主流应用的CKS32F1可用于伺服电机、变频器和无人机等应用；满足高端应用的CKS32F4，全方位覆盖从工业控制到可穿戴、传感器融合应用等。

本文主要介绍了CSK32系列MCU芯片定时器的分类和功能，及其在电机控制领域的应用和实现。

2 定时器设计

CKS32系列MCU芯片拥有众多定时器，大致分为核内定时器和外设定时器。核内定时器有系统滴答定时器，外设定时器包含特定应用定时器和常规定时器。其中低功耗定时器、实时时钟、看门狗以及高精度定时器属于特定应用定时器；基本定时器、通用定时器以及高级定时器则属于常规定时器。

基本定时器常用作时基，实现基本的计数和定时功能。通用定时器除了基本的定时功能以外，还具有输入捕获、输出比较以及生成PWM的功能，可用于触发其他外设定期采集或收发信号，或实现简单的呼吸灯、蜂鸣器等应用。高级定时器不仅能够实现通用定时器的功能，还具有输出互补带死区信号以及刹车等功能，其常用于电机控制和数字电源管理等。

2.1 高级定时器功能概述

高级定时器具有向上、向下和中心计数自动重载计数器，可编程预分频器，拥有4个独立的通道分别实现输入捕获、输出比较、PWM生成以及单脉冲模式输出功能。高级定时器可使用外部信号控制定时器和定时器互连的同步电路，支持针对定位的正交编码器和霍尔传感器电路。不同于通用定时器，高级定时器还具有死区时间可编程的互补PWM输出功能。根据上述功能，通用定时器可分为6个功能单元，分别为从模式控制单元、时基单元、输入单元、比较输出单元、触发输出单元和捕捉比较单元。设计框图如图1所示。

图1 通用定时器设计框图

从模式控制单元负责时钟源和触发信号源的选择，同时控制计数器的起停、复位和门控等；时基单元为定时器的核心单元，负责时钟源的分频、计数和溢出重装等；输入单元则为部分时钟信号、捕捉信号以及触发信号等提供信号源；比较输出单元通过对比较寄存器与计数器的数值匹配比较，实现不同输出波形；触发输出单元输出触发信号给其他定时器或外设，触发信号包括了更新事件、触发事件、输入捕获、输出比较、刹车信号输入以及COM换相事件；捕捉比较单元是输入捕捉或比较输出的公共执行单元。

2.2 PWM设计

高级定时器输出PWM作为无刷直流电机控制中的重要控制源，也是高级定时器的设计重点。PWM的频率由TIM_ARR寄存器确定，占空比由TIM_CCR寄存器确定，而PWM模式则根据寄存器TIM_CCMR和TIM_CR1的配置确定，插入的死区时长则由TIM_BDTR寄存器配置的值而定（见表1）。

表1 PWM相关寄存器

图2清晰地画出了PWM的设计原理，其中TIM_CLK为TIM的工作时间，以此时间为计数周期，CNT从0开始计数，且PWM变化为高电平，当CNT计数至CCR配置的数值，PWM变为低电平，计数器继续计数至ARR配置的数值，PWM变为高电平，计数器重新由0开始计数。以此来产生固定占空比和周期的PWM。

图2 PWM设计波形

带死区的PWM（见图3）是以PWM_REF为基准信号，通过DT_CNT计数器插入相应时间的死区。

图3 带死区的互补PWM设计波形

值得一提的是，仅高级定时器能够实现的COM换相事件是专为电机控制设计的，用于同时控制所有通道的输出转化。在电机控制中同时转换所有PWM的输出是十分常见的应用。无刷直流电机换向时，通常三相同时换向，意味着同一时刻6路PWM同时变化。运用COM换相事件可实现同时换向的功能（如图4所示），其中PWMx′为PWMx的互补信号。根据应用需要，预先设置好每相的换相参数（配置影子寄存器），然后通过软件配置相应的寄存器调用高级定时器发生COM换相事件，此时预先配置好的换相参数会自动载入有效寄存器内，下个时刻6路PWM同时变化。

图4 COM换相事件触发PWM变化

3 MCU定时器在无刷直流电机控制中的应用

3.1 无刷直流电机控制硬件设计

无刷直流电机控制系统设计方案如图5所示[11-12]。该电路主要包括三相全桥驱动电路、位置检测电路、过流保护电路、调速电路、欠压和过压保护电路。首先电源模块为三相全桥驱动电路提供直流电压，MCU接收到由霍尔传感器产生、经过信号调节电路后的位置信号以及转速设定信号，经处理后的信号转化为换相信号，随后MCU输出PWM信号经过驱动电路让三相全桥驱动电路进行换相工作，输出三相交流电驱动无刷直流电机，进而完成整个电机的控制运行。

图5 BLDCM控制系统

三相全桥驱动电路是目前常用的一种驱动电路，采用该电路的无刷直流电机控制系统，可以减少电流波动和转矩脉动，使得电机输出较大的转矩，系统调速稳定便捷[13]。三相全桥驱动主回路由6个N沟道MOS管组成，如图6所示，驱动桥分为上桥臂和下桥臂Q1～Q6，上下对应2个桥控制三相电机的一相[14]，2个来自MCU定时器模块的输入信号控制桥臂的开与关，例如Q1和Q2控制A相，PWM1_H和PWM1_L分别控制上桥臂Q1和下桥臂Q2的开关状态。

图6 无刷直流电机PWM脉宽调速电路

MCU在无刷直流电机控制系统中起到了至关重要的控制作用，作为该系统的主控芯片，MCU具备同时执行多个不同功能的能力，如开关管的通断控制[9]、电流检测、位置检测、算法处理等。中科芯研制的CKS32F030C8T6型号MCU芯片采用CortexM0内核，其处理功能优异，与优化的Flash紧密结合，具有丰富的外部接口，因此仅需少量外设即可满足电机控制系统设计需要。CKS32F030C8T6自带多路12位AD转换器，可直接采集多个电压信号，通过与限定电压值进行比较，从而实现过流保护以及欠压和过压保护等功能。此外，CKS32F030C8T6芯片自带温度传感器，可直接采集温度信号，根据所采集的温度信号调整转速，该功能可以在恶劣的环境中保护电机。不仅如此，它还拥有多个定时器，包括基本定时器、通用定时器和高级定时器，其中用于控制电机的高级定时器可以输出6路PWM，因此，该MCU芯片可以全方面满足电机控制需求。

6路PWM控制三相全桥驱动电路中6个MOS管的通断。电机的转速随着绕组线圈的电流增大而增大[15]。因此，增大PWM的占空比，延长电机做功时间，电机转速就会增大。

在图6所示的三相全桥驱动电路中，受PWM调制的MOS管处于PWM的关断电平时将同桥臂的下管打开。这就要求上下桥臂的MOS管做互补对称输出。然而在实际电路中，MOS管的导通和关断都有一定的延迟时间，可能存在上下桥臂同时进行导通和关断操作的情况，这就会造成桥臂短路或近乎短路，因此在MOS管通断过程中需植入死区时间。

3.2 定时器PWM应用实现

无刷直流电机试验平台的搭建所需设备包括控制系统（见图7）、无刷直流电机、电机加载测试系统、计算机、J-LINK仿真器和示波器等。试验所用电机参数如下：额定电压为24 V，额定功率为100 W，额定转速为2500 r/min，极对数为4，试验时电机仅进行空载运行。

图7 BLDC控制系统实物图

当电机上电正常运转后，电机转速设定为300 r/min，MCU根据换相信号输出PWM波。由于示波器通道限制，图8中给出了3路PWM信号，通道1为上桥臂PWM1_H控制，通道2为上桥臂PWM2_H控制，通道3为上桥臂PWM3_H控制。图9给出了2路互补带死区时间的PWM波形，PWM1_H和PWM1_L。此时PWM的频率设置为16 kHz，占空比为45%，插入死区时间为3.125μs（见图10）。PWM的频率实测值为15.68 kHz，占空比实测为45.1%，死区实测时间为3.20μs。

图8 MCU输出3路PWM波形

图9 2路互补带死区PWM波形

图10 插入死区的PWM波形

4 结论与展望

无刷直流电动机是伴随着新兴电子技术的发展而诞生的新型一体化电机，它综合了电力电子技术、微电子技术、电机技术以及控制理论等多个学科的前沿理论知识。本文主要设计了一款CSK32F030C8T6型号MCU中的高级定时器，该MCU作为无刷直流电机控制系统中的主控芯片，具有设计简易、成本低、便于应用的优势，其性能参数也符合理论值。