中國的電機控制應(yīng)用日漸成熟，需要有專門面向中國市場的MCU產(chǎn)品來應(yīng)對，能通過最低的功耗，增強的計算能力和外圍設(shè)備功能，實現(xiàn)高處理性能……

在能源短缺及嚴苛環(huán)保要求雙重壓力下，更高能效、更出色動態(tài)性能和更低運行噪聲，已成為電機驅(qū)動設(shè)計的必然趨勢。因此，從傳統(tǒng)AC電機設(shè)計轉(zhuǎn)換到在效率、噪聲、重量、壽命等方面更具備優(yōu)勢的無刷直流電機(BLDC)/步進電機(SM)，也正成為電機控制應(yīng)用設(shè)計人員目前追逐的熱點。

120°直流無刷電機和步進電機控制方式

眾所周知，3個霍爾傳感器之間的間隔是120°，每個霍爾信號依據(jù)旋轉(zhuǎn)磁極的方向進行切換。根據(jù)3個霍爾信號的狀態(tài)，就能在每60°(每個周期有6種模式)得到一次位置信息。如果每相的導通模式按照該時序進行改變切換，那么旋轉(zhuǎn)磁通就會按下圖那樣產(chǎn)生，從而轉(zhuǎn)子得到力矩并且旋轉(zhuǎn)。

圖1六種導通模式和轉(zhuǎn)子位置的范圍

電機旋轉(zhuǎn)速度的計算，是從當前定時器的計數(shù)值和2π[rad]之前的定時器計數(shù)值之差得到的。定時器計數(shù)值是通過霍爾信號觸發(fā)的外部中斷獲得，在此期間定時器TAU一直進行自由計數(shù)。這種測速方法，即使3個霍爾傳感器存在位置偏差，也同樣適用。

為了啟動電機并且獲取轉(zhuǎn)子的位置信息，需要向電機提供一個60°的啟動時序。以此觸發(fā)霍爾信號對應(yīng)的外部中斷，并不斷進行換相控制，從而讓電機轉(zhuǎn)動起來。而任意時刻(n)占空比的調(diào)整值由以下公式計算得到，從而實現(xiàn)電機旋轉(zhuǎn)速度的調(diào)節(jié)。

步進電機則是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制電機。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，不受負載變化的影響。當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的，也可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。

圖2步進電機原理

專為中國市場設(shè)計

針對中國日漸成熟的電機控制應(yīng)用，瑞薩電子推出了多款專門面向中國市場的MCU產(chǎn)品，旨在通過最低的功耗，增強的計算能力和外圍設(shè)備功能，實現(xiàn)高處理性能。

R7F0C009系列

R7F0C009是瑞薩電子面向電動自行車、電動工具、家用電器等需要控制直流無刷電機的應(yīng)用專門研發(fā)的少管腳單片機。采用RL78內(nèi)核，不僅擁有高精度(±2%)片上振蕩器、24MHz工作頻率的CPU，以及其他標準內(nèi)置功能，還采用了來源于R8C家族的乘除法器和乘累加指令功能，帶有可證實追尋記錄，如定時器RD/RJ、事件鏈接控制器、1路運算放大器、2路模擬比較器，能以更低的總體成本來構(gòu)架系統(tǒng)，實現(xiàn)更緊湊的體積和更低功耗。

圖3R7F0C009模塊框圖

該系列MCU配置為30-44管腳，最大16KFlash，片內(nèi)集成了最多12通道ADC和用于三相PWM驅(qū)動的電機控制專用定時器RD。由于能夠輸出3對正和反相不重疊的PWM波形，特別合適用于直流無刷電機。

圖4電機控制專用定時器RD用于三相PWM驅(qū)動

事件鏈接控制器(ELC)可以在CPU不干預的情況下利用定時器觸發(fā)(自動/延遲)A/D采樣，提高電機控制的性能。

圖5事件鏈接控制器(ELC)功能

R7F0C009MCU還集成了可編程增益放大器和比較器，支持2通道比較(高/低速可選)、高速遠行模式(電機電流反饋，防止過流保護)和低功耗低速遠行模式(電池檢測)，可用于電流監(jiān)察保護。

圖6R7F0C009獨有的可編程增益放大器/比較器

除此之外，MCU的多數(shù)管腳可以支持40mA的大電流輸出，可以減少外部驅(qū)動元件的數(shù)量，進一步降低成本。瑞薩電子同時為電機控制單片機提供電動自行車控制器和直流無刷電動工具的參考設(shè)計，縮短客戶的入門時間和產(chǎn)品開發(fā)周期。

R7F0C014系列

R7F0C014系列微控制器的目標市場鎖定在逆變電機控制、軟件調(diào)制解調(diào)器、家用電器、移動設(shè)備、醫(yī)療及保健設(shè)備及其他消費類電子、辦公設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域。該系列同樣采用RL78內(nèi)核，提供32管腳LQFP(0.8mm管腳間距)和64管腳(0.5mm和0.65mm管腳間距)封裝。

R7F0C014不僅擁有高精度(±1%)片上振蕩器、32MHz工作頻率的CPU，以及其他標準內(nèi)置功能，還采用了比RL78/G13系列處理速度更快并來源于R8C家族的乘除法器和乘累加指令功能，帶有可證實追尋記錄，如可用于三相PWM驅(qū)動的定時器RD/RG、數(shù)據(jù)傳送控制器、事件鏈接控制器，能以更低的總體成本來構(gòu)架系統(tǒng)，實現(xiàn)更緊湊的體積和更低功耗。

除此之外，還支持寬電壓工作(1.6V-5.5V工作電壓)，并內(nèi)置了大量功能支持功能性安全(如A/D轉(zhuǎn)換器測試功能)，以及大容量Flash(128KBFlash，8KBRAM，8KB數(shù)據(jù)Flash)，用戶可以加入大量安全相關(guān)的代碼以符合IEC和安規(guī)需求。

圖7R7F0C014模塊框圖

R7F0C806/807系列

R7F0C806/807系列微控制器具備高精度±2%片上振蕩器(TA=0+40℃)，從而使CPU運行達到20MHz成為可能，同時內(nèi)置了可選上電復位和看門狗定時器等功能，有助于系統(tǒng)實現(xiàn)更緊湊的尺寸和低功耗，使整個系統(tǒng)搭建成本更低。此外，R7F0C806/807內(nèi)置實時輸出控制電路，通過定時器的PWM輸出方式可以同時實現(xiàn)8通道輸出，有助于客戶進行無刷直流電機控制和步進電機控制(同一時間控制兩個)開發(fā)。

該系列產(chǎn)品具有20個引腳的SSOP和SOP封裝，以及4KB-8KB的閃存陣容，更適合于小型家用電器以及通用消費產(chǎn)品應(yīng)用。

圖8R7F0C806/807模塊框圖

在實際應(yīng)用中，通過使用TAU的PWM輸出功能，可實現(xiàn)一個直流電機或者兩個步進電機的控制；通過產(chǎn)生因INTP0引起的中斷，能截斷輸出；通過軟件的設(shè)定，能從強制截斷時進行Hi-Z輸出、低電平輸出、高電平輸出以及禁止截斷輸出的4種輸出中進行選擇。

圖9R7F0C806/807實時輸出控制電路

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