【应用】大大降低转矩脉动？这款MCU是无人机电调的“战斗机”

时间： 2017-01-04 来源：Silicon Labs（世强编辑整理）

技术问答

【摘要】随着无人机的迅猛发展，无刷电机控制方案逐渐成熟完善。8位MCU EFM8BB应用于无人机中，通过它不仅能对电机驱动电压的电流传感器进行测量，还能实现反电势过零检测技术，使无刷直流电动机在运行期间，产生更低的电流纹波和降低转矩脉动。

近年来，无人机在全球范围内快速发展，航模无人机也不再只是一些专业玩家和发烧友手中的玩物，各式各样的商用无人机运用到了我们的生活和工业生产中。随着无人机的普及，其性能和价格逐渐适应了许多场合和人群。优越的性能不但需要有一套可靠的飞行控制系统，而且由电调组成的动力系统的稳定性和可靠性也是非常重要的一部分。

电调的全称是电子调速器（Electronic Speed Control，简称ESC）。飞控板提供的电流无法直接驱动无刷电机，它需要通过电调来实现控制电机的转速。根据电机种类的不同，可分为有刷电调和无刷电调。随着无刷电机的迅猛发展，在相同功率下，无刷电机不仅在体积上比有刷电机小得多，还因为它的控制方案逐渐成熟完善而使其在市场上逐渐占据了主流。因此，无刷电机在电机行业得到了广泛的应用。

SILICON LABS的8位单片机凭借多年积累的技术，从C8051F330到现在的EFM8BB系列，其在航模电调上形成了一套完整的应用方案，包括硬件电路整体设计方案和软件设计方案。本文将介绍EFM8BB在无刷电调的应用。

图1：无刷电调硬件框图

无刷电调的硬件主要包括主控MCU、门极隔离驱动、三相反相电路、电流检测电路、过零检测、滤波电路和衰减电路等组成部分，下面分别介绍主要模块的功能特性及其作用。

电机电压衰减电路

图2：电机电压衰减电路

此电路将电机衰减电压信号传输给MCU，允许MCU测量电机的电压，并判断提供的电压是否足够驱动电机。

反电势(Back-EMF)滤波电路

图3：电机终端电压反电势滤波电路

BEMF滤波电路的目的是减轻电机端电压的电平，使其可以被单片机EFM8BB所应用。轻微的正偏移电压VMA需要通过上拉电阻R68，因为电压MTR_VA在高侧PWM调制的PWM周期中，可能会出现负值的情况，VMA可以通过以下公式得到：

电流检测电路

图4：电流传感放大器增益电路

通过EFM8BB可以对电机驱动电压的电流传感器进行测量，来判断电机工作电流是否正常。有两种方案可选：

1）直接从低侧电流传感器电阻(IM_OP信号)检测。如果用户只关注过流保护检测，可以考虑这种低成本方案，因为只需要检测这个引脚上的高电平。

2）检测放大器输出信号(I_MEAS信号)。这个方案适用于测试电机启动时的小信号。

反电势过零检测(Back-EMF Zero Crossing Point Detection)

利用EFM8BB实现的反电势过零检测技术具有一些独有的优势。通过复杂的计算后可以得知，当电流流过终端电机时，开启的终端不产生任何过零信息。因此，需要一个跟踪信号来关闭比较器的输入，使得当电流流过开启的终端时，这个比较器实际上是不使用的。

这种方法的好处是，冲出来的反电动势信号不良的部分不承担任何CPU开销。如果不使用跟踪信号，单片机在每一个脉宽调制周期，必须中断启用/禁用比较器至少两次来观察BEMF。当这个处理开销被删除，则MCU可以被应用于更高频率电机的脉宽调制信号，这样在无刷直流电动机的运行期间，将会产生更低的电流纹波和降低转矩脉动。

图5：电机PWM高电平有效（低占空比跟踪同步）

图6：电机PWM高电平有效（高占空比跟踪同步）

EFM8BB系列的功能特性：

• 流水线式8位C8051核心，最大工作频率达50MHz

• 5V容差I/O引脚

• 多达20个通道的12位模拟数字转换器(ADC)

• 两个低电流模拟比较器

• 集成的温度传感器

• 3通道增强型PWM/PCA

• 多达5个16位计时器

• 丰富的通讯外设UART、SPI和SMBus/I2C

• 灵活的引脚映射交叉开关

看到这里您是否又有项目灵感需实现，点击下面开发软件帮你忙。

Silicon Labs Simplicity Studio平台开发工具
 Silicon Labs 集成开发环境工具
 Silicon Labs 配置向导2开发工具
 Silicon Labs FLASH编程开发工具
 Silicon Labs 8位MCU Keil PK51 开发工具
 Silicon Labs ToolStick 开发工具
 Silicon Labs μVision 调试驱动程序开发工具
 Silicon Labs 生产编程器开发工具
 Silicon Labs .HEX转化.SVF开发工具
 Silicon Labs USB复位实用程序开发工具

发送到邮箱 |
+1 赞 0
收藏
评论 0
| 转发至：

本网站所有内容禁止转载，否则追究法律责任！

全部评论（0）

暂无评论

【应用】可实现反电势过零检测的MCU，让无人机电机转动更平稳

内含12bit高性能ADC和DAC，封装3*3mm，具有数字交叉开关等功能。

新应用发布时间 : 2017-04-14

【应用】这款8位MCU“一手包办”空气净化器的容性触摸按键

芯科推出的一款MCU产品EFM8SB10F8，以其特有的功能、性能及价格的优势，在空气净化器产品中，有着非常独到的应用。

新应用发布时间 : 2019-09-05

无人机关键的电机控制设计你必须懂！

无人机设计中“电机控制”的设计精准度及系统体积小型化扮演极重要的角色，近期强势加入无人机战场的小米，特选用Silicon Labs的高集成度、小尺寸封装的8位微控制器C8051F85x，以达成高速PWM调试和小型化的设计。

新应用发布时间 : 2016-07-06

【经验】如何正确使用8位MCU的PortMatch功能

Silicon Labs的8位MCU(C8051和EFM8)都具有PortMatch功能，此功能允许一个或多个端口IO引脚上的逻辑电平变化触发系统事件。

设计经验发布时间 : 2018-02-08

8位单片机EFM8的烧录器有哪些？

8位单片机EFM8系列采用C2调试接口，常见的烧录器有：1，官方的EFM8 STK、USB Debug Adapter、ToolStick。2，第三方的U-EC2/6、WizPro200EFM(支持EFM8和EFM32)等。

技术问答发布时间 : 2016-10-25

【应用】芯科科技新型8位MCU EFM8BB51用于无人机电调，4路16位定时器和3通道互补PWM可对电机进行精准控制

芯科科技（Silicon Labs）推出新型8位MCU EFM8BB51，具有4路16位定时器和2路8位定器，支持3通道互补PWM输出，2路模拟比较器，支持SMBus/I2C、uart/usart和SPI通讯接口。可用于无人机电调上，实现对电机的精准控制。

应用方案发布时间 : 2021-12-29

【经验】PCB布线技巧：8位单片机端口Crossbar功能的使用及配置

如果单片机自带Crossbar功能，只要软件配置调整一下各端口功能，PCB布线就会畅通。

设计经验发布时间 : 2017-08-09

【应用】基于高速CIP51内核的EFM8BB 8位MCU助力无人机电调设计，单时钟周期指令，最高支持50MIP

工程师在无人机设计时需要平衡功能，性能和成本，尤其是无人机核心部件 - 电调，更是令工程师面对许多挑战。本文将介绍新一代EFM8BB 8位MCU如何助力电调设计。EFM8BB基于高速CIP51内核，应对高转速马达控制算法轻松自如。内置10bit/12bit可配置 ADC，采样率高达800Ksps，可用于马达电流电压，反电动势信号采集，令有双通道高速比较器，多样实现马达换向算法。

应用方案发布时间 : 2020-06-29

UID是芯片中新加的全球唯一ID，即每个芯片的ID都是不一样的，EFM8系列的MCU上都包含此ID。有两类获取UID的方式，一种通过读取RAM的特定地址获得，一种通过读取Flash的特定地址获得。在早期引入此ID的MCU上（比如EFM8BB1/SB1/SB2）这个ID为32位，在芯片复位时（PC指针被复位至0之前）被复制至RAM中特定位置，用户程序可以读取其值。此位置的RAM仍然可以由用户使用。需要注意的是如果此位置被编译器分配了变量，那么当函数执行至main()时此位置的内容会被初始化代码覆盖。EFM8UB2的UID也是此类，但其位数为128位。在新的EFM8系列MCU上（比如EFM8BB3/LB1/UB1)，UID位数为128位，存储在Flash上。

技术问答发布时间 : 2017-05-05