Atmega32M1的电动工具电机驱动方案

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        有刷直流电机电刷的磨损高,经常会出故障,维护起来也较为麻烦。随着技术的进步,无刷直流电机逐渐替代了以前广范使用的有刷电机,通过三个霍尔传感器感应转子的位置完成换向,大大提高了电机的使用寿命,也比之前的机械换向直流电机更可靠,对控制系统来说更为合适。然而每个霍尔传感器都有一根引线,和之前的有刷的电机相比,引线数量的增加也意味着成本的一定提升,也增加了故障风险。无刷无霍尔直流电机在此基础上省去了霍尔传感器的引线,在降低成本的基础上也保证了可靠性,因此得到了越来越广泛的使用。

        “无霍尔传感器直流无刷电机”的解决方案,直接接入220V市电就可以驱动电钻等电动工具正常工作,还可以方便地进行调速,同时省去了霍尔传感器的引线,减少了潜在故障的可能。

        这套方案采用Atmel的8位MCU Atmega32M1作为主控芯片,芯片集成了PWM调制,有32KB的可编程Flash存储空间,2KB SRAM 和1KB EEPROM,以及8通道10位A/D转换器。图1和图2分别给出了方案框图和参考设计电路板。

        电路可以分为三部分:输入和开关电源、MCU控制和IGBT驱动。系统通过反电动势方法检测转子位置,根据转子位置发出控制信号,改变PWM当前值,进而改变IGBT的导通顺序实现对电机转速的控制。反电势检测是关键所在,Atmega32M1 具有3个单独的比较器,用于电机的反电动势测量;其12位多用途同步功率级控制器的时钟频率高达64MHz,可提供6个互补的可编程高速精确信号,来控制电机的3个半桥。

        在无刷直流电机系统中,电路保护起着非常重要的作用。Atmega32M1有一个额外的比较器可用于过流检测,其参考电平(比较电平)可以是DAC输出或任意外部参考电压。温度检测、运算放大调理电路和A/D转换器保证了系统在外界输入异常的情况下,不会出现过压、过流等影响电路正常工作甚至造成损害的情况。另外,硬件故障检测模块一旦检测到故障,会立即自动将电机设于安全状态。

        基于Atmega32M1的方案除了在电动工具上应用之外,汽车的车身控制也是未来的应用领域之一。随着汽车中的电机数量越来越多,汽车制造商需要尺寸更小、重量更轻,并且扭矩大于有刷电机的电机产品。厂商正逐步转用需要更复杂电子器件来精确控制速度和扭矩的无刷直流电机,这为汽车制造带来了一些新的挑战,其中包括高温问题,因为某些引擎盖下的应用温度高达150℃。

        ATmega32M1就是针对这一需求而设计的产品。它采用高性能的AVR 8位RISC架构,集成了满足复杂算法要求的所有基本外设,包括各种模拟模块,如带有差分放大器和可编程增益选项的10位ADC、比较电平可选择的模拟比较器、I/O引脚电平变化中断。ATmega32M1具备汽车系统环境下控制无刷直流电机所需的全部资源。

        具有防夹功能的车窗升降电机控制就是无刷直流电机发挥作用的场合,通风、空调等控制也属于同一类应用。另外汽车电子中使用嵌入式处理器的一项关键要求是CAN和LIN的通信协议栈必须高效且具备良好的支持。Atmel的控制方案一直以来在汽车领域都有非常领先的优势,ATmega 32M1这款芯片也支持CAN/LIN,非常适合汽车电子的应用。

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