方案 | 基于灵动微电子 MM32SPIN360C 的低压无刷电机应用方案

鸣涧

方案 | 基于灵动微电子 MM32SPIN360C 的低压无刷电机应用方案

近年来，无刷直流电动机在现代社会的众多领域中得到广泛应用，包括电动汽车、家用电器、办公自动化、工业控制、医疗器械等领域都有它的身影。它除了保持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。

虽然无刷直流电机有诸多优点，但是在控制上却有一定难度。无刷直流电机的机械结构简单，这就要求驱动电路要有一定的复杂度，并且需要由 MCU 产生电机所需要的波形来控制电机的转动。

大联大世平集团针对低压无刷电机，推出基于灵动微 MM32SPIN360C 的无刷电机驱动方案。此方案采用的 MM32SPIN360C 内部集成了一部分驱动电路，所以方案的外围电路比较简单。适用于多种应用场合，比如空气净化器、服务器风机、吊扇、落地扇、电动手工具、吸尘器、无人机电调、小型水泵等。

图 1 .  世平 MM32SPIN360C 无刷电机开发板

关键元器件介绍：

1.主控

主控 MCU 采用的是 灵动微 MM32SPIN360C，使用高性能的 ARM Cortex-M0 为内核的 32 位微控制器，最高工作频率可达 96 MHz，内置高速存储器，丰富的 I/O 端口和多种外设，包括：

• 128KB Flash，12KB SRAMB
• 包含 12 位的 ADC，采样速度高达 1Msps
• 5 个通用定时器、2 个针对电机控制的 PWM 高级定时器
• 1 个 I2C 接口、2 个 SPI 接口和 2 个 UART 接口
• 针对电机应用内置 3 个运放，3 个比较器
• 内嵌经出厂调校的 48MHz 高速振荡器
• 内置预驱工作电压 7V ∼ 48V
• 5V LDO 稳压器，输入电压最高 13.5V
• 提供 QFN48 封装
  
  

MM32SPIN360C 框图如下图所示：

图 2 .  灵动微 MM32SPIN360C 框图

2.N-MOSFET

电机驱动部分，方案采用 6 颗 N-MOS 管来做电机的电子换相控制。芯片采用的是 Nexperia 的 PXN012-60QL。PXN012-60QL 体积小、功耗低、漏源电压（VDSS）可以达到 60V，连续漏电流（Id）可以达到 42A，开关频率可以达到 30KHz 以上。

3.电源

方案采用的电源芯片是圣邦微的 LDO：SGM2225-ADJ，其特点如下：

• 宽电压输入 Vin：3.6~36V
• 输出电压可调 Vout：1.8V~15V
• 最大输出电流 Iout：800mA
• 低噪音、低损耗电压
• 封装小，最小封装大小为 3*3mm
• 过流/短路保护
• 过热保护
• 工作温度范围：-40~+125℃
  
  

驱动软件说明：

方案的软件部分采用灵动微的 FOC 软件库架构，整个软件结构清晰易懂。软件采用双环控制（电流环+速度环），矢量控制的框图如下图所示：

图 3 .  电机矢量控制框图

1.SVM

空间矢量脉宽调制（SVM）是 FOC 的基础，是根据其所在扇区选择非零矢量与零矢量合成而成，有五段式、七段式、混合式。七段式开关次数较多，但谐波较小；五段式开关次数是七段式的一半，但谐波较大。

代码采用的是七段式。其实现流程大致如下：

① 判断合成矢量所在扇区

② 计算相邻矢量作用时间

③ 计算各桥臂导通时间

④ 得到各相PWM占空比

⑤ 更新相应寄存器值

2.Current Sensing

在电流环，软件中的电流采样选择双电阻采样，通过采样 V 和 W 相的下桥臂电阻上的压降，再用基尔霍夫电流定律计算第三相（U 相）的电流。

图 4 .  电流采样原理

3.SMO+PLL

在速度环，软件采用基于滑膜观测器（SMO）和锁相环（PLL）方法对电机转子的速度估计与控制。

4.软件架构介绍

灵动微的 FOC 软件结构如下图所示，这套软件具有如下特点：         

① 时序清晰 —— 仅使用一个常用中断，减少可能的时序冲突和 BUG。

② 便于移植 —— 算法层、驱动层、数学库完全独立，软硬件配置完全剥离，互不干扰。

③ 定标统一 —— 统一 Q15 小数定标。

④ 函数模块化 —— 逻辑清晰的状态机，简洁明了的状态切换。

⑤ 配置方便 —— 主要参数配置意义明确，可视化

图 5 .  FOC 软件结构

► 场景应用图

► 产品实体图

► 展示版照片

► 方案方块图

► 方案原理图 —— 电源部分

► 方案原理图 —— MCU 部分

► 方案原理图 —— 传感器部分

► 方案 PCB —— Top layer

► 方案 PCB —— Bottom layer

► 核心技术优势

1. ARM Cortex-M0 32 位 MCU，主频高达 96 MHz，内置预驱、比较器和放大器，整个驱动电路简单

2. MCU 电源使用 5V，可由 MCU 内部 LDO 转换

3. 支持有传感器/无传感器的 BLDC/PMSM 电机

4. 支持 1/2 Shunt R 三相电流采样

5. 可通过跳线选择不同的电机回授方式，比如：HALL、BEMF、IPD 等

6. 支持 DC Bus 电压, 总电流量测

7. 使用 MCU 内建比较器作为过电流保护

► 方案规格

1. MCU: ARM Cortex-M0 32-bit 内核，主频高达 96MHz

2. MCU 电源使用 5V，可由 MCU 内部 LDO 转换

3. 支持 UART 通讯 & LIN 通讯

4. 支持 2 种电源输入接口：DC-Jack 和接线端子

5. 使用 60V/40A N-MOS 管 * 6

6. 支持 2 种 SWD 调试接口

7. 支持 2 种调速接口：电位器和外接电压

8. 具备 LED 指示灯 & 按键

9. 开发板尺寸 : 65 * 75 mm