Atmega32M1的電動工具電機驅動方案

Atmega32M1的電動工具電機驅動方案

有刷直流電機電刷的磨損高，經常會出故障，維護起來也較為麻煩。隨著技術的進步，無刷直流電機逐漸替代了以前廣范使用的有刷電機，通過三個霍爾傳感器感應轉子的位置完成換向，大大提高了電機的使用壽命，也比之前的機械換向直流電機更可靠，對控制系統來說更為合適。然而每個霍爾傳感器都有一根引線，和之前的有刷的電機相比，引線數量的增加也意味著成本的一定提升，也增加了故障風險。無刷無霍爾直流電機在此基礎上省去了霍爾傳感器的引線，在降低成本的基礎上也保證了可靠性，因此得到了越來越廣泛的使用。

百特電子為電動工具開發了一套“無霍爾傳感器直流無刷電機”的解決方案，直接接入220V市電就可以驅動電鉆等電動工具正常工作，還可以方便地進行調速，同時省去了霍爾傳感器的引線，減少了潛在故障的可能。

這套方案采用Atmel的8位MCU Atmega32M1作為主控芯片，芯片集成了PWM調制，有32KB的可編程Flash存儲空間，2KB SRAM 和1KB EEPROM，以及8通道10位A/D轉換器。圖1和圖2分別給出了方案框圖和參考設計電路板。

電路可以分為三部分：輸入和開關電源、MCU控制和IGBT驅動。系統通過反電動勢方法檢測轉子位置，根據轉子位置發出控制信號，改變PWM當前值，進而改變IGBT的導通順序實現對電機轉速的控制。反電勢檢測是關鍵所在，Atmega32M1具有3個單獨的比較器，用于電機的反電動勢測量；其12位多用途同步功率級控制器的時鐘頻率高達64MHz，可提供6個互補的可編程高速精確信號，來控制電機的3個半橋。另外，百特電子的反電動勢算法能夠確保轉子位置檢測的準確性，對直接使用220V市電的電動工具來說，也保證了使用的安全可靠。

在無刷直流電機系統中，電路保護起著非常重要的作用。Atmega32M1有一個額外的比較器可用于過流檢測，其參考電平(比較電平)可以是DAC輸出或任意外部參考電壓。溫度檢測、運算放大調理電路和A/D轉換器保證了系統在外界輸入異常的情況下，不會出現過壓、過流等影響電路正常工作甚至造成損害的情況。另外，硬件故障檢測模塊一旦檢測到故障，會立即自動將電機設于安全狀態。

百特電子上海技術中心工程師張驛風介紹到，百特電子在2009年開始設計這款方案，現在已經基本完成，正在和客戶進行最后的測試，預計今年的第2-3季度就可以批量供應。

基于Atmega32M1的方案除了在電動工具上應用之外，汽車的車身控制也是未來的應用領域之一。隨著汽車中的電機數量越來越多，汽車制造商需要尺寸更小、重量更輕，并且扭矩大于有刷電機的電機產品。廠商正逐步轉用需要更復雜電子器件來精確控制速度和扭矩的無刷直流電機，這為汽車制造帶來了一些新的挑戰，其中包括高溫問題，因為某些引擎蓋下的應用溫度高達150℃。

ATmega32M1就是針對這一需求而設計的產品。它采用高性能的AVR 8位RISC架構，集成了滿足復雜算法要求的所有基本外設，包括各種模擬模塊，如帶有差分放大器和可編程增益選項的10位ADC、比較電平可選擇的模擬比較器、I/O引腳電平變化中斷。ATmega32M1具備汽車系統環境下控制無刷直流電機所需的全部資源。

具有防夾功能的車窗升降電機控制就是無刷直流電機發揮作用的場合，通風、空調等控制也屬于同一類應用。另外汽車電子中使用嵌入式處理器的一項關鍵要求是CAN和LIN的通信協議棧必須高效且具備良好的支持。Atmel的控制方案一直以來在汽車領域都有非常領先的優勢，ATmega 32M1這款芯片也支持CAN/LIN，非常適合汽車電子的應用。據介紹，百特電子也將基于這款芯片開發汽車電子、家電等應用方案。