探究120°直流无刷电机与步进电机的控制方式的异同

中国的电机控制应用日渐成熟，需要有专门面向中国市场的MCU产品来应对，能通过最低的功耗，增强的计算能力和外围设备功能，实现高处理性能……

在能源短缺及严苛环保要求双重压力下，更高能效、更出色动态性能和更低运行噪声，已成为电机驱动设计的必然趋势。因此，从传统AC电机设计转换到在效率、噪声、重量、寿命等方面更具备优势的无刷直流电机(BLDC)/步进电机(SM)，也正成为电机控制应用设计人员目前追逐的热点。

120°直流无刷电机和步进电机控制方式

众所周知，3个霍尔传感器之间的间隔是120°，每个霍尔信号依据旋转磁极的方向进行切换。根据3个霍尔信号的状态，就能在每60°(每个周期有6种模式)得到一次位置信息。如果每相的导通模式按照该时序进行改变切换，那么旋转磁通就会按下图那样产生，从而转子得到力矩并且旋转。

图1六种导通模式和转子位置的范围

电机旋转速度的计算，是从当前定时器的计数值和2π[rad]之前的定时器计数值之差得到的。定时器计数值是通过霍尔信号触发的外部中断获得，在此期间定时器TAU一直进行自由计数。这种测速方法，即使3个霍尔传感器存在位置偏差，也同样适用。

为了启动电机并且获取转子的位置信息，需要向电机提供一个60°的启动时序。以此触发霍尔信号对应的外部中断，并不断进行换相控制，从而让电机转动起来。而任意时刻(n)占空比的调整值由以下公式计算得到，从而实现电机旋转速度的调节。

步进电机则是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，不受负载变化的影响。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的，也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

图2步进电机原理

专为中国市场设计

针对中国日渐成熟的电机控制应用，瑞萨电子推出了多款专门面向中国市场的MCU产品，旨在通过最低的功耗，增强的计算能力和外围设备功能，实现高处理性能。

R7F0C009系列

R7F0C009是瑞萨电子面向电动自行车、电动工具、家用电器等需要控制直流无刷电机的应用专门研发的少管脚单片机。采用RL78内核，不仅拥有高精度(±2%)片上振荡器、24MHz工作频率的CPU，以及其他标准内置功能，还采用了来源于R8C家族的乘除法器和乘累加指令功能，带有可证实追寻记录，如定时器RD/RJ、事件链接控制器、1路运算放大器、2路模拟比较器，能以更低的总体成本来构架系统，实现更紧凑的体积和更低功耗。

图3R7F0C009模块框图

该系列MCU配置为30-44管脚，最大16KFlash，片内集成了最多12通道ADC和用于三相PWM驱动的电机控制专用定时器RD。由于能够输出3对正和反相不重叠的PWM波形，特别合适用于直流无刷电机。

图4电机控制专用定时器RD用于三相PWM驱动

事件链接控制器(ELC)可以在CPU不干预的情况下利用定时器触发(自动/延迟)A/D采样，提高电机控制的性能。

图5事件链接控制器(ELC)功能

R7F0C009MCU还集成了可编程增益放大器和比较器，支持2通道比较(高/低速可选)、高速远行模式(电机电流反馈，防止过流保护)和低功耗低速远行模式(电池检测)，可用于电流监察保护。

图6R7F0C009独有的可编程增益放大器/比较器

除此之外，MCU的多数管脚可以支持40mA的大电流输出，可以减少外部驱动元件的数量，进一步降低成本。瑞萨电子同时为电机控制单片机提供电动自行车控制器和直流无刷电动工具的参考设计，缩短客户的入门时间和产品开发周期。

R7F0C014系列

R7F0C014系列微控制器的目标市场锁定在逆变电机控制、软件调制解调器、家用电器、移动设备、医疗及保健设备及其他消费类电子、办公设备、工业设备等领域。该系列同样采用RL78内核，提供32管脚LQFP(0.8mm管脚间距)和64管脚(0.5mm和0.65mm管脚间距)封装。

R7F0C014不仅拥有高精度(±1%)片上振荡器、32MHz工作频率的CPU，以及其他标准内置功能，还采用了比RL78/G13系列处理速度更快并来源于R8C家族的乘除法器和乘累加指令功能，带有可证实追寻记录，如可用于三相PWM驱动的定时器RD/RG、数据传送控制器、事件链接控制器，能以更低的总体成本来构架系统，实现更紧凑的体积和更低功耗。

除此之外，还支持宽电压工作(1.6V-5.5V工作电压)，并内置了大量功能支持功能性安全(如A/D转换器测试功能)，以及大容量Flash(128KBFlash，8KBRAM，8KB数据Flash)，用户可以加入大量安全相关的代码以符合IEC和安规需求。

图7R7F0C014模块框图

R7F0C806/807系列

R7F0C806/807系列微控制器具备高精度±2%片上振荡器(TA=0+40℃)，从而使CPU运行达到20MHz成为可能，同时内置了可选上电复位和看门狗定时器等功能，有助于系统实现更紧凑的尺寸和低功耗，使整个系统搭建成本更低。此外，R7F0C806/807内置实时输出控制电路，通过定时器的PWM输出方式可以同时实现8通道输出，有助于客户进行无刷直流电机控制和步进电机控制(同一时间控制两个)开发。

该系列产品具有20个引脚的SSOP和SOP封装，以及4KB-8KB的闪存阵容，更适合于小型家用电器以及通用消费产品应用。

图8R7F0C806/807模块框图

在实际应用中，通过使用TAU的PWM输出功能，可实现一个直流电机或者两个步进电机的控制；通过产生因INTP0引起的中断，能截断输出；通过软件的设定，能从强制截断时进行Hi-Z输出、低电平输出、高电平输出以及禁止截断输出的4种输出中进行选择。

图9R7F0C806/807实时输出控制电路

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