基于MM32SPIN360C芯片的低压无刷电机设计 电机开发板驱动有感 BLDC 的操作方法

近年来，无刷直流电动机在众多领域中得到广泛应用。无论是电动汽车、家用电器，还是工业控制和医疗器械都有它的身影。无刷直流电动机之所以如此广受青睐，除了保持了有刷直流电动机优越的启动性能和调速性能外，其最大的特点就是没有换向器和电刷组成的机械接触结构，因而具有低损耗、高效率、寿命长、噪声低、运行可靠、维护简便等一系列优点。然而虽然无刷直流电机具有诸多优点，但是在控制上却有一定难度。由于无刷直流电机的机械结构简单，因此必须要配有相应的驱动电路，且需要由MCU产生电机所需要的波形来控制电机的转动。针对无刷电机驱动设计，汇英同创电子推出了基于MindMotion MM32SPIN360C的无刷电机驱动方案，可适用于多种电机驱动场合。

一、MM32SPIN360C 电机开发板介绍

1. 简介

        如图（1），MM32SPIN360C 电机开发板以 Mindmotion 的专用 MCU —— MM32SPIN360C 为主控制器，具备霍尔传感器检测和反电动势检测功能。适用于低压场合，可广泛用于工业或者民用领域的三相无刷永磁电机驱动器，如电动工具等。

        主控制器 MM32SPIN360C 是 ARM Cortex-M0 的 32 位微控制器，内置 5V 输出的 LDO 稳压器（Input : 7~13.5V），内置 3 组具有自举二极管的 N 沟道半桥栅极驱动器（7~48V、1A Sink、1A Source），以及 3 个比较器和 3 个运算放大器等等。MM32SPIN360C 的具体参数和用法请参考灵动微的官网（https://www.mindmotion.com.cn/）上的数据手册和用户手册。

 
图（1）

1. 电路板图解

        如图（2）为电路板正面的图解，开发板带有 10KΩ 可调电阻器，可用于调节电机的转速。带有 UART/LIN 通讯接口，以及两种形式的 JTAG/SWD 接口。电源输入电压为 12~36V，可以有两种接入方式（DC-JACK 或者 接线端子）。

图（2）

1. 原理图介绍

        图（3）是电机驱动部分的原理图。由于 MM32SPIN360C 这颗 MCU 内自带预驱，所以可以直接驱动 MOS 管（PXN012-60QL），简化了电机驱动电路。

图（3）

        图（4）是反馈电路，可以通过 JP4~JP8，JP10~JP12 选择霍尔传感器方式反馈或者是反电动势方式反馈。如果选择霍尔传感器方式，则只需要将 JP6、JP7、JP8 的 1-2 脚短接。

图（4）

二、  驱动软件简介

1. 启动电机

        此驱动软件首先通过 12-bit ADC 采集可调电阻器的电阻值，确定电机的转速。当电机速度的 PWM 波形占空比大于 5% 才开始启动电机。电机启动之前通过读取 U/V/W 的 3 个霍尔传感器的值确定电机转子位置，进而根据转子位置来确定 U/V/W 的上电顺序。

//RM 旋钮启动与调速
do {
hwAdcValue = GetAdcAverage(5); // 采集可调变阻器的电压值
if (0xffff == hwAdcValue) {
break;
} else {
g_tMotor.tDuty = hwAdcValue * 100 / 4095; // 设置 PWM 占空比
SET_DUTY_U(g_tMotor.tDuty);
SET_DUTY_V(g_tMotor.tDuty);
SET_DUTY_W(g_tMotor.tDuty);
if ((g_tMotor.tDuty > 5) && (g_tMotor.tMotorState == STOP)) {
g_tMotor.tMotorState = START; // 如果电机速度的波形占空比大于 5%，则启动电机
}
}
} while(0);

1. 霍尔传感器信号的采集

        软件中包含 3 种霍尔传感器信号采集方式：主循环、EXTI、Timer 。

•   主循环 方式是在主函数的 while(1) 循环里读取 U/V/W 这 3 个霍尔传感器对应的 MCU 管脚（PA0/PA1/PA2）上的电平, 进而驱动换相。

•   EXTI 方式是设置 U/V/W 这 3 个霍尔传感器对应的 MCU 管脚（PA0/PA1/PA2）为外部中断，双边沿触发。当任一 HALL 线上电平发生变化时，都会有对应中断线产生中断，在 EXTI 中断服务函数中进行 HALL 引脚电平检测，进而驱动换相。

•   Timer 方式是设置 U/V/W 这 3 个霍尔传感器对应的 MCU 管脚（PA0/PA1/PA2）为定时器输入脚 ( CC1、CC2、CC3)。使用这 3 个定时器输入脚通过一个异或门连接到 TI1 输入通道；当捕获到 CC1、CC2、CC3 上有引脚发生电平变化时，由于异或门的存在， TI1 上产生一个跳变沿；经过输入滤波器和边沿检测器后传输给 TI1F_ED ，由于配置了 TIM 的触发源为 TI1F_ED 和使能了触发中断，这里会进入触发中断，在触发中断中我们可以判断霍尔状态的有效值，根据霍尔状态的有效值控制电机对应的绕组供电，进而驱动电机旋转。

        这 3 种方式可以通过 hall.h 中的如下定义来选择：

        #define HALL_POLLING_MODE 0   // 1：采用 主循环 方式采集霍尔信号

#define HALL_TIM_MODE 1 // 1：采用 Timer 方式采集霍尔信号
#define HALL_EXTI_MODE 0 // 1：采用 EXTI 方式采集霍尔信号

1. 电机堵转检测

        驱动软件中开启了系统节拍定时器（systick），每 1 毫秒中断一次。此定时器用于检测电机运转时堵转 2 秒之后，停止电机运行。

void Systick_Callback(void)
{
if(RUN == g_tMotor.tMotorState) {
g_tMotor.tCount.hwTimeCount ++;
if(g_tMotor.tCount.hwTimeCount > 2000) { // 2s超时，电机卡住不运转超过2s时间
GATE_DRIVER_DISABLE();
BLDC_UVW_DISABLE();
g_tMotor.tMotorState = STOP;
g_tMotor.tMotorErr = LOCKED_ERR;
g_tMotor.tCount.hwTimeCount = 0;
}
}
}

三、调试开发板

1. 接线方法

        开发板、BLDC 电机、调试器的接线图如图（8）所示。

图（8）

1. 调试器的设置

        开发板采用 SWD 接口调试。调试器可以采用灵动微官方的调试下载器，也可以采用适用于 ARM Cortex-M 核的调试器，比如图（8）用的就是 WPI 自制的调试器。

        如果使用灵动微官方的调试器，则需要从灵动微官网上下载调试器的驱动（上海灵动微电子股份有限公司）。 并在 keil 的调试设置中，选择 MM32-LINK Debugger ，如图（9）所示。

图（9）

        我这里使用的是 WPI 自制的调试器，这种调试器免驱，在 keil 的调试设置中，选择 CMSIS-DAP Debugger ，如图（10）所示。

图（10）

1. 开发板上的设置

        开发板上的跳线设置如图（11）所示，红色标记的地方需要接跳线帽，其他位置可以忽略。

四、总结

        MM32SPIN360C 电机开发板上的主控制器（MM32SPIN360C）内置预驱，所以 MCU 只需要外接 6 个 MOS 管就可以驱动 BLDC 电机，整个驱动电路比较简单。
        本文档介绍了如何使用 MM32SPIN360C 电机应用开发板驱动低压有感BLDC 电机的方法。 由于有霍尔传感器反馈电机转子的位置，所以在电机启动和运行的过程比较平稳，而且不需要算法，驱动代码比较简单。
        此外，此开发板也可以驱动有感/无感正弦波电机，这个驱动的方法将在后面的博文中介绍，敬请期待。