【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）

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【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

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