Atmega32M1的電動工具電機(jī)驅(qū)動方案

有刷直流電機(jī)電刷的磨損高，經(jīng)常會出故障，維護(hù)起來也較為麻煩。隨著技術(shù)的進(jìn)步，無刷直流電機(jī)逐漸替代了以前廣范使用的有刷電機(jī)，通過三個(gè)霍爾傳感器感應(yīng)轉(zhuǎn)子的位置完成換向，大大提高了電機(jī)的使用壽命，也比之前的機(jī)械換向直流電機(jī)更可靠，對控制系統(tǒng)來說更為合適。然而每個(gè)霍爾傳感器都有一根引線，和之前的有刷的電機(jī)相比，引線數(shù)量的增加也意味著成本的一定提升，也增加了故障風(fēng)險(xiǎn)。無刷無霍爾直流電機(jī)在此基礎(chǔ)上省去了霍爾傳感器的引線，在降低成本的基礎(chǔ)上也保證了可靠性，因此得到了越來越廣泛的使用。

百特電子為電動工具開發(fā)了一套“無霍爾傳感器直流無刷電機(jī)”的解決方案，直接接入220V市電就可以驅(qū)動電鉆等電動工具正常工作，還可以方便地進(jìn)行調(diào)速，同時(shí)省去了霍爾傳感器的引線，減少了潛在故障的可能。

這套方案采用Atmel的8位MCU Atmega32M1作為主控芯片，芯片集成了PWM調(diào)制，有32KB的可編程Flash存儲空間，2KB SRAM 和1KB EEPROM，以及8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器。圖1和圖2分別給出了方案框圖和參考設(shè)計(jì)電路板。

電路可以分為三部分：輸入和開關(guān)電源、MCU控制和IGBT驅(qū)動。系統(tǒng)通過反電動勢方法檢測轉(zhuǎn)子位置，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置發(fā)出控制信號，改變PWM當(dāng)前值，進(jìn)而改變IGBT的導(dǎo)通順序?qū)崿F(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。反電勢檢測是關(guān)鍵所在，Atmega32M1具有3個(gè)單獨(dú)的比較器，用于電機(jī)的反電動勢測量；其12位多用途同步功率級控制器的時(shí)鐘頻率高達(dá)64MHz，可提供6個(gè)互補(bǔ)的可編程高速精確信號，來控制電機(jī)的3個(gè)半橋。另外，百特電子的反電動勢算法能夠確保轉(zhuǎn)子位置檢測的準(zhǔn)確性，對直接使用220V市電的電動工具來說，也保證了使用的安全可靠。

在無刷直流電機(jī)系統(tǒng)中，電路保護(hù)起著非常重要的作用。Atmega32M1有一個(gè)額外的比較器可用于過流檢測，其參考電平(比較電平)可以是DAC輸出或任意外部參考電壓。溫度檢測、運(yùn)算放大調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換器保證了系統(tǒng)在外界輸入異常的情況下，不會出現(xiàn)過壓、過流等影響電路正常工作甚至造成損害的情況。另外，硬件故障檢測模塊一旦檢測到故障，會立即自動將電機(jī)設(shè)于安全狀態(tài)。

基于Atmega32M1的方案除了在電動工具上應(yīng)用之外，汽車的車身控制也是未來的應(yīng)用領(lǐng)域之一。隨著汽車中的電機(jī)數(shù)量越來越多，汽車制造商需要尺寸更小、重量更輕，并且扭矩大于有刷電機(jī)的電機(jī)產(chǎn)品。廠商正逐步轉(zhuǎn)用需要更復(fù)雜電子器件來精確控制速度和扭矩的無刷直流電機(jī)，這為汽車制造帶來了一些新的挑戰(zhàn)，其中包括高溫問題，因?yàn)槟承┮嫔w下的應(yīng)用溫度高達(dá)150℃。

ATmega32M1就是針對這一需求而設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。它采用高性能的AVR 8位RISC架構(gòu)，集成了滿足復(fù)雜算法要求的所有基本外設(shè)，包括各種模擬模塊，如帶有差分放大器和可編程增益選項(xiàng)的10位ADC、比較電平可選擇的模擬比較器、I/O引腳電平變化中斷。ATmega32M1具備汽車系統(tǒng)環(huán)境下控制無刷直流電機(jī)所需的全部資源。

具有防夾功能的車窗升降電機(jī)控制就是無刷直流電機(jī)發(fā)揮作用的場合，通風(fēng)、空調(diào)等控制也屬于同一類應(yīng)用。另外汽車電子中使用嵌入式處理器的一項(xiàng)關(guān)鍵要求是CAN和LIN的通信協(xié)議棧必須高效且具備良好的支持。Atmel的控制方案一直以來在汽車領(lǐng)域都有非常領(lǐng)先的優(yōu)勢，ATmega 32M1這款芯片也支持CAN/LIN，非常適合汽車電子的應(yīng)用。據(jù)介紹，百特電子也將基于這款芯片開發(fā)汽車電子、家電等應(yīng)用方案。