與電機連接的嵌入式系統(tǒng)的要求和復(fù)雜程度各不相同。簡單的應(yīng)用僅僅接合和脫離電源并且可能反轉(zhuǎn)極性以反轉(zhuǎn)電動機方向。然而，在實踐中，很少有設(shè)計那么簡單。相反，速度，加速度，電機位置以及負載和扭矩感應(yīng)是現(xiàn)代設(shè)計的更典型要求。

電機本質(zhì)上是電感式的，它們可能會對突然的負載進行反應(yīng)，應(yīng)用不同的驅(qū)動波形，以及意外的更高電流消耗齒輪問題或卡紙情況（如打印機中的卡紙）。

包括MCU和驅(qū)動器的電機控制平臺和套件可用于旋轉(zhuǎn)各種類型的電機，包括交流感應(yīng)電機（ACIM），無刷（BLDC），步進電機，永磁（PMSM），通用，開關(guān)磁阻，和更多。應(yīng)該注意的是，幾乎在所有情況下都需要外部驅(qū)動器，因為通常MCU的I/O線路沒有驅(qū)動器。

由于所有這些原因，電機控制帶有許多其他嵌入式設(shè)計所沒有的特殊要求。這包括芯片上的外圍設(shè)備，用于驅(qū)動，切換和測量電機的功率電平。還需要外圍設(shè)備來感測電機狀況。本文著眼于微控制器可以與電機連接以實現(xiàn)精確控制和電機狀態(tài)提取的方法。

實用功能

幾乎所有微控制器都可以驅(qū)動和控制電機; I/O，定時器，A/D和D/A是非常標(biāo)準(zhǔn)的，據(jù)了解，您將使用外部電路來完成繁重的工作。 MCU在正常條件下能夠很好地感應(yīng)和控制。但是，有一些很好的功能，微型可以提供電機控制，推動他們超越標(biāo)準(zhǔn)功能。

例如，在許多應(yīng)用中，電動機將受到不同載荷和應(yīng)力的驅(qū)動。電流和應(yīng)變傳感器可用于查看電機的情況。提供集成模擬比較器的微控制器可以在超過閾值電平時產(chǎn)生中斷，其響應(yīng)速度比使用A/D級每隔一段時間輪詢一次的通用MCU要快得多。另一點是，快速而堅決的A/D級對于監(jiān)控和驗證正常運行條件特別有用。類似地，良好的D/A級（或PWM）對于可變電壓驅(qū)動電機可能是重要的，其轉(zhuǎn)矩和速度可以通過改變驅(qū)動電壓來指導(dǎo)?？焖僦袛囗憫?yīng)時間和喚醒時間也很重要。

一旦你擁有一個可靠而強大的驅(qū)動和感知機制，現(xiàn)在它就成了一個過濾過程，可以找到最適合工作的微觀過程。

滿足電機控制要求

了解電機控制的特殊需求，多家MCU制造商結(jié)合了特定的功能和特性，創(chuàng)建了針對電機應(yīng)用的專用電機控制微控制器或微控制器。采用AtmelAVR?系列，特別是ATXMEGA16D4-MHR，其定時器/計數(shù)器內(nèi)嵌有高級波形擴展（AWeX）功能。它可以實現(xiàn)具有死區(qū)插入的低端和高端輸出以及故障保護，以在達到故障檢測參數(shù)時非?？焖俚仃P(guān)閉外部驅(qū)動器。

內(nèi)部時鐘的使用允許比標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)時鐘高出四到八倍的時序分辨率，還有助于在損壞之前檢測可能出現(xiàn)的電路故障故障。另一個不錯的電機控制功能是能夠在端口引腳上生成同步位模式。這有助于多個電動機或具有時間驅(qū)動的單個電動機的同步。例如，打印機可能希望在電機移動到非常特定的位置后的特定時間啟用其噴墨器。

展示了如何使用低成本處理器驅(qū)動和控制12 V，三相，無傳感器，磁場定向控制（FOC）8極永磁電機和USB橋（圖1）?？梢栽?a href="http://www.makelele.cn/tags/digi-key/" target="_blank">Digi-Key網(wǎng)站上找到XMEGA?系列的產(chǎn)品培訓(xùn)模塊介紹。

圖1：專用的AVR micro使得從USB端口編程和控制三相電機變得簡單。

Zilog是另一家使用ZNEO?CPU直接使用Z16FMC系列進行電機控制的制造商。例如，考慮采用16位Z16FMC64AG20SG，它具有集成模擬比較器，運算放大器，12源A/D和靈活的PWM級。片上調(diào)試器有助于開發(fā)。監(jiān)視器，故障檢測，掉電檢測和兩種不同類型的復(fù)位等標(biāo)準(zhǔn)功能使程序員工具可以進行主動故障恢復(fù)和管理。向量中斷和優(yōu)先級劃分對減少響應(yīng)時間也很有用。

一個特別好的特性是PWM狀態(tài)邏輯的極性控制的關(guān)閉狀態(tài)故障回退（圖2）。它使用主定時器生成調(diào)制器的時基和6個獨立的比較寄存器，為每個輸出設(shè)置PWM。插入可編程死區(qū)時間，以確保功率晶體管和H橋驅(qū)動器永遠不會以重疊波形同時驅(qū)動。

Zilog在Digi-Key網(wǎng)站上提供Z16FMC電機控制培訓(xùn)模塊。

圖2：為滿足集成和電機特定要求，Zilog電機控制MCU內(nèi)部的PWM級包含用于差分三相驅(qū)動的專用狀態(tài)邏輯以及故障保護和死區(qū)時間邏輯。

外圍方法

幾家半導(dǎo)體公司為特定類型的電機提供外圍式控制器。 IXYS IXDP630PI全面負責(zé)三相正弦換向無刷，感應(yīng)或交流伺服類型的電機。這取代了在邏輯中實現(xiàn)此功能所需的六個分立IC。

其關(guān)鍵功能是在有效開關(guān)時間之間插入所需的死區(qū)時間，以防止可能導(dǎo)致H橋設(shè)計中的短路情況的重疊驅(qū)動波形。雖然大部分邏輯和功能已經(jīng)遷移到微控制器的I/O部分，但仍然使用離散和專用電機控制IC。

像Microchip MTD6505T-E/NA這樣的部件非常有趣。這里嵌入式專用小型MCU安裝在芯片上，實現(xiàn)了三相電機接口電路（圖3）。小巧的DFN 10引腳封裝足夠小，可以安裝在電機附近，微型可以數(shù)字控制速度和方向。雖然內(nèi)部有三相H橋，但它需要為更大的電機驅(qū)動更多肉質(zhì)的動力元件。

圖3：用于正弦三相無傳感器和無刷電機的專用微型接口和控制電路緊湊地安裝在3 x 3 mm 10引腳DFN封裝中。

邁向正確方向的步驟

步進電機是常用的，也有專用MCU可以定位的特殊需求。步進器可以是非常小的低功率，如儀表板儀表中使用的埋入式電機，或者非常大和當(dāng)前饑餓，如X-Y表等離子切割機中使用的那些。需要更高的電壓來提供更高水平的功率。

對于這些應(yīng)用，請仔細查看Allegro A4915METTR-T，它可以在高達50 V的電機下運行。設(shè)計用于三相無刷直流電機的PWM驅(qū)動電流控制，它包括六個大電流N - 通道功率MOSFET，在其狀態(tài)邏輯中具有制動控制系統(tǒng)（圖4）。有關(guān)更多信息，Digi-Key和Allegro提供了一個產(chǎn)品培訓(xùn)模塊，名為使用A49xx系列的步進電機控制。

圖4：通過內(nèi)置電荷泵和制動控制系統(tǒng)，基于狀態(tài)機的三相步進控制器由來自主處理器的并行總線驅(qū)動。

關(guān)于保護的注意事項

有許多類型的電機具有獨特的特性和需求。電機可以用直流或交流驅(qū)動，使用刷子或無刷，也可以是步進電機或薄餅。此外，驅(qū)動功率的大小可以從微瓦到兆瓦。

在所有情況下，當(dāng)驅(qū)動電機時，電機線圈繞組的電感特性會引入尖峰和高壓故障。如前所述，您很可能會使用功率晶體管，繼電器和H橋等驅(qū)動器設(shè)備來實際為線圈繞組供電，并使用低電平邏輯信號來控制驅(qū)動器。即使這提供了一個級別的隔離，但電機的響應(yīng)可能會泄漏回電源并可能使MCU出現(xiàn)故障。雖然微I/O線具有內(nèi)在保護功能，但它們很容易被淹沒。

工程師有幾種選擇。您可以使用浪涌抑制裝置，晶閘管，瞬態(tài)電壓抑制器，甚至氣體放電管來抑制高壓反激尖峰。另一種方法是將光隔離器用于非線性驅(qū)動電機的電隔離控制鏈路。

總結(jié)

電機控制可以像高端外設(shè)功能一樣進行管理，也可以由微控制器直接驅(qū)動。通用MCU可以利用專用的電機驅(qū)動和控制IC。另一方面，一些集成MCU封裝解決方案包含驅(qū)動電機所需的特殊硬件邏輯，并且可以很好地控制它們。最重要的是：雖然您的需求可能會有所不同，但解決方案隨時可用。