高级电机控制中的软件设计原则
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2015-04-22
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Silicon Labs技术文章（2014年） 1
高级电机控制中的软件设计原则
作者：Silicon Labs系统工程部，Ken Berringer
引言
运行在300W以下的小功率电机被广泛应用于各类应用，例如汽车系统、打印机、复印机、碎纸机、玩
具、工厂自动化、测试设备、机器人技术、航空航天与军工、以及其他应用。最流行的小功率电机类型
是DC电机、无刷DC电机和步进电机。电机的产量大致与功率大小成反比。量产的小功率电机数量远远
高于大功率电机数量。
专用于电机控制的DSP设计旨在满足大型离线式电机的需求。离线电机通常为AC感应或无刷DC电机，
运行在110-480VAC和1/4-100HP。专用于电机控制的DSP对于小功率电机控制系统来说成本太高。
Silicon Labs的C8051F3xx系列小尺寸微控制器（MCU）非常适合小功率电机控制。这些MCU具有几个
对电机控制系统非常有用的特性：
除了标准的8051定时器之外，C8051F3xx MCU还具有一个带有多种运行模式的可编程计数器阵列
（PCA）。
8位脉冲宽度调制（PWM）模式非常适合大多数小功率电机控制应用。高速输出模式能够用于生成
多个带有死区时间控制的中心对齐的PWM信号。MCU的数字交叉开关器能够用于选择哪个端口引
脚输出PWM信号。Crossbar也能消除通常所需的片外多路转接器。
C8051F3xx MCU的模数转换器（ADC）能用来测量电机的电流、电源电压、反向电动势和温度。
模拟多路转接器和差分测量能力对于测量双向电机电流和差分相位电压来说非常有用。
除了PCA之外，标准8051定时器T0和T1可以实现一个非常有用的第二时基。
模拟比较器可以用来测量零交叉、过流、过压或过温。
本白皮书的目的是展示使用C8051F3xx MCU控制各类电机的软件示例。虽然这些示例相对简单，但是
他们为各类电机展示了有效的解决方案。一个传统的电机控制系统通常要求额外特性并且具有更高的复
杂度。这些软件示例能够作为开发更复杂电机驱动系统的起点。
DC电机控制
DC电机在小功率电机中是最常见和最便宜的。在此白皮书中，术语“DC电机”特指有刷换向永磁DC电机。
DC电机的特性使得它成为变速系统中使用的最简单电机。DC电机的转矩-速度特性如图1所示。DC电机
的非负载速度与电机电源电压成线性关系。驱动稳定扭矩负载、线性负载或指数负载的DC电机的电压-
速度特性也是连续的、正斜率的和可预测的。因此，在大多数情况下使用开环控制是可行的。简单的改
变通过电机的电压，任何人都能够控制电机的速度。PWM能够用于改变电机供电电压。加载到电机的
平均电压与PWM占空比成正比例关系（这里忽略电机自感和不连续运行导致的次要影响）。
图1-DC电机特性
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