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MCF51AG128三相BLDC馬達(dá)控制設(shè)計(jì)方案

文章來源：更新時(shí)間：2016/3/25 11:38:00

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MCF51AG128是ColdFire系列32位可變長度精簡指令集（RISC）微控制器。本文介紹了MCF51AG128系列MCU，重點(diǎn)介紹了高度集成且多樣化的特性集。
MCF51AG128衍生品是低成本、低功耗、高性能32位ColdFire V1微控制器單元（MCU），專為工業(yè)和電器應(yīng)用設(shè)計(jì)。它提升了基于MC9S08AC128系列8位微控制器的設(shè)計(jì)。

MCF51AG128主要特性
32位V1 ColdFire中央處理器單元（CPU）
工作電壓為2.7V至5.5V、頻率高達(dá)50.33MHz的ColdFire CPU
從內(nèi)部RAM運(yùn)行時(shí)，實(shí)現(xiàn)了0.94Dhrystone2.1 DMIPS/MHz的性能（從閃存運(yùn)行時(shí)，實(shí)現(xiàn)了0.76DMIPS/MHz的性能）
實(shí)現(xiàn)了Coldfire指令集修訂版C（ISA_C）
片上存儲(chǔ)器
在整個(gè)工作電壓和溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高達(dá)128KB的閃存讀取/編程/擦除
16KB隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）
安全電路，能夠防止未授權(quán)訪問RAM和閃存內(nèi)容
節(jié)能模式
3種超低功耗停止模式和降低功率等待模式
外設(shè)時(shí)鐘使能寄存器可將時(shí)鐘禁用到未使用的模塊上，從而降低了電流
系統(tǒng)保護(hù)
高級(jí)獨(dú)立時(shí)鐘看門狗（WDOG），具有多種特性，例如穩(wěn)定的刷新機(jī)制、窗口模式、高粒化超時(shí)和快速超時(shí)測(cè)試，并且常常強(qiáng)制復(fù)位
其它外部看門狗監(jiān)控器（EWM），有助于復(fù)位外部電路
低壓檢測(cè)，具有復(fù)位或中斷功能
獨(dú)立低壓報(bào)警，具有可選跳變點(diǎn)
非法操作碼和非法地址檢測(cè)，具有復(fù)位功能
各個(gè)陣列的閃存模塊保護(hù)，能夠防止意外寫入/擦除
硬件CRC模塊，支持快速循環(huán)冗余校驗(yàn)
調(diào)試支持
單線式后臺(tái)調(diào)試接口
實(shí)時(shí)調(diào)試支持，具有6個(gè)硬件斷點(diǎn)（4個(gè)PC、1個(gè)地址對(duì)和1個(gè)數(shù)據(jù)），可以配置成1或2級(jí)觸發(fā)器
片上跟蹤緩沖器提供了可編程啟動(dòng)/停止記錄條件
支持利用調(diào)試可視化總線進(jìn)行實(shí)時(shí)程序（和可選部分?jǐn)?shù)據(jù)）跟蹤
DMA控制器
4個(gè)獨(dú)立可編程DMA通道為直接在系統(tǒng)存儲(chǔ)器和I/O外設(shè)之間傳輸數(shù)據(jù)提供了方法
DMA使能外設(shè)包括IIC、SCI、SPI、FTM、HSCMP、ADC、RTC和eGPIO，來自于這些外設(shè)的DMA請(qǐng)求可以配置成DMA源或iEvent輸入
CF1_INTC
支持44個(gè)外設(shè)I/O中斷請(qǐng)求和7個(gè)軟件（1個(gè)/級(jí)）中斷請(qǐng)求
中斷請(qǐng)求源、等級(jí)和優(yōu)先級(jí)之間的固定聯(lián)系，最多2個(gè)請(qǐng)求可以重映射到最高的可屏蔽等級(jí)和優(yōu)先級(jí)
各個(gè)中斷源都有唯一的矢量編號(hào)
支持服務(wù)例程中斷確認(rèn)（軟件IACK）讀周期，提升了系統(tǒng)性能
能夠屏蔽任何單個(gè)或所有中斷源
系統(tǒng)時(shí)鐘源
振蕩器（XOSC）——環(huán)路控制皮爾斯振蕩器；晶體或陶瓷諧振器的頻率范圍：31.25kHz~38.4kHz或1MHz~16MHz
內(nèi)部時(shí)鐘源（ICS）——鎖頻環(huán)（FLL）由內(nèi)部或外部參考控制；可調(diào)內(nèi)部參考實(shí)現(xiàn)了0.2%的分辨率和2%的偏差（1%@0~70℃）

外設(shè)
ADC 24個(gè)分辨率為12位的模擬輸入；采用12、10或8位右對(duì)齊格式的輸出；單次或連續(xù)轉(zhuǎn)換（單次轉(zhuǎn)換后，自動(dòng)回到空閑狀態(tài)）；轉(zhuǎn)換完成時(shí)的中斷或DMA請(qǐng)求；在低功耗模式下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了噪聲更低的操作；異步時(shí)鐘源，實(shí)現(xiàn)了噪聲更低的操作；可以從RTC、PDB或iEvent中選擇異步硬件轉(zhuǎn)換觸發(fā)器；乒乓模式期間基于硬件觸發(fā)器的雙采樣；片上溫度傳感器
PDB 16位分辨率，帶有預(yù)定標(biāo)器；7個(gè)觸發(fā)事件輸入；觸發(fā)事件信號(hào)的正跳變啟動(dòng)計(jì)數(shù)器；支持連續(xù)觸發(fā)或單次、旁路模式；同時(shí)支持2個(gè)觸發(fā)延遲輸出或Ored；脈沖輸出可用于HSCMP加窗信號(hào)
iEvent用戶可編程組合布爾輸出，將4條所選iEvent輸入通道用作中斷請(qǐng)求、DMA傳輸請(qǐng)求或硬件觸發(fā)器
FTM 2個(gè)6通道靈活定時(shí)器/PWM模塊，具有DMA請(qǐng)求選項(xiàng)；各個(gè)互補(bǔ)通道對(duì)都具有死區(qū)時(shí)間插入功能；通道與對(duì)等的輸出一起成對(duì)運(yùn)行，具有互補(bǔ)輸出或獨(dú)立通道（具有獨(dú)立輸出）；16位自由運(yùn)行計(jì)數(shù)器；可以同步加載具有寫緩沖器的FTM寄存器；關(guān)鍵寄存器的寫保護(hù)；與TPM后向兼容
TPM 16位自由運(yùn)行或模數(shù)增/減計(jì)數(shù)操作；2條通道，每條通道都可以是輸入采集、輸出比較或邊沿對(duì)齊PWM；每條通道1個(gè)中斷 + 終端計(jì)數(shù)中斷
CRC 高速硬件CRC發(fā)生器電路，采用16位移位寄存器；CRC16-CCITT符合x16+x12+x5+1多項(xiàng)式；所有單、雙、奇數(shù)和大多數(shù)多位誤差的誤差檢測(cè)；可編程初始晶粒值
HSCMP 2個(gè)模擬比較器，比較器輸出的上升沿、下降沿或任意一個(gè)邊沿上具有可選中斷；比較器的正和負(fù)輸入均來自于4:1多路復(fù)用器；可編程電壓參考來自于2個(gè)內(nèi)部DAC；支持DMA傳輸
I2C與I2C總線標(biāo)準(zhǔn)和SMBus V2特性兼容；100kbps@最高總線負(fù)載；多主操作；可以針對(duì)64個(gè)差分串行時(shí)鐘頻率之一對(duì)軟件進(jìn)行編程；可編程從地址和消抖輸入濾波器；中斷驅(qū)動(dòng)逐字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸；仲裁丟失中斷和自動(dòng)模式切換；調(diào)用地址識(shí)別中斷；總線繁忙檢測(cè)；廣播和10位地址擴(kuò)展；MCU處于Stop3模式時(shí)，地址匹配會(huì)導(dǎo)致喚醒；DMA支持
SCI 2個(gè)串行通信接口模塊，具有可選13位中斷；全雙工、標(biāo)準(zhǔn)不歸零（NRZ）格式；雙緩沖發(fā)射器和接收器，具有獨(dú)立使能；13位波特率選擇，具有/32分?jǐn)?shù)除法；中斷驅(qū)動(dòng)或輪詢操作；硬件奇偶發(fā)生與校驗(yàn)；可編程8位或9位字長；接收器被空閑線路或地址符號(hào)喚醒；接收器的地址匹配特性降低了地址符號(hào)喚醒ISR開銷；1/16位時(shí)間噪聲檢測(cè)；用于發(fā)射與接收的DMA傳輸
SPI 2個(gè)串行外設(shè)接口，具有全雙工或單線式雙向選項(xiàng)；雙緩沖發(fā)射器與接收器；主或從模式操作；可選MSB優(yōu)先或LSB優(yōu)先移位；8位或16位數(shù)據(jù)模式；可編程發(fā)射比特率；接收數(shù)據(jù)緩沖器硬件匹配特性；用于發(fā)射與接收的DMA傳輸

輸入/輸出
69個(gè)GPIO和1個(gè)僅輸入引腳
中斷或DMA請(qǐng)求，所有輸入引腳上的極性均可選
所有輸入引腳上均具有可編程消抖濾波器、遲滯和可配置上拉/下拉器件
所有輸出引腳上的轉(zhuǎn)換速率和驅(qū)動(dòng)力均可配置
獨(dú)立引腳數(shù)值寄存器，能夠讀取數(shù)字引腳上的邏輯電平
16個(gè)快速通用I/O（RGPIO）引腳，連至處理器的本地32位平臺(tái)總線，具有設(shè)置、清空和高速切換功能

圖1 MCF51AG128系列MCU框圖
BLDC馬達(dá)沒有換向器，因此比DC馬達(dá)更可靠。BLDC馬達(dá)還優(yōu)于AC感應(yīng)馬達(dá)。因?yàn)樗棉D(zhuǎn)子磁鐵產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁通量而實(shí)現(xiàn)了更高的效率，所以BLDC馬達(dá)被應(yīng)用到了高端白家電（例如冰箱、洗衣機(jī)、洗碗機(jī)）、高端泵、風(fēng)扇和其它需要高可靠性與效率的應(yīng)用之中。

圖2 采用MCF51AG128無傳感器三相BLDC馬達(dá)演示板外形圖

馬達(dá)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)組合速度/轉(zhuǎn)矩閉環(huán)內(nèi)的三相無刷DC馬達(dá)（BLDC馬達(dá)）。應(yīng)用滿足下列性能規(guī)范：
通過反EMF過零感應(yīng)實(shí)現(xiàn)無傳感器無刷DC馬達(dá)控制
面向MCF51AGx平臺(tái)
在低壓（24V）三相馬達(dá)控制驅(qū)動(dòng)板上運(yùn)行
控制技術(shù)：
利用組合速度/轉(zhuǎn)矩閉環(huán)實(shí)現(xiàn)無傳感器控制
利用ADC實(shí)現(xiàn)過零感應(yīng)
沿2個(gè)方向旋轉(zhuǎn)
全四象限操作
通過馬達(dá)對(duì)齊從任何馬達(dá)位置啟動(dòng)
手動(dòng)接口（方向切換、上/下按鈕控制）
免費(fèi)MASTER軟件控制接口（馬達(dá)運(yùn)行/停止、速度/轉(zhuǎn)矩設(shè)置）
免費(fèi)MASTER軟件遠(yuǎn)程監(jiān)控器
MCU初始化由器件初始化工具完成（Processor Expert的一部分）

圖3 三相BLDC/PMSM低壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)板框圖