無刷直流和無刷交流等先進的電機控制技術已廣泛用于各種工業(yè)應用之中，這種技術與通用交流電機控制技術相比具有多種優(yōu)勢：效率更高、耐用性更佳、電機成本更低。另一方面，用于驅動電機的電子組件變得日益復雜，結果提高了系統(tǒng)總成本。

　　白電市場作為價格驅動特征十分明顯的細分市場，在洗衣機、洗碗機等家電中應用“新型”電機控制方式顯得尤為謹慎。目前，廣為人知的傳統(tǒng)控制仍是市場的首選，但是近幾年來，尤其是在半導體價格逐年下降的背景下，該市場所使用的技術已悄然發(fā)生變化。

　　恩智浦作為一家工業(yè)應用半導體供應商，其產(chǎn)品覆蓋面十分廣泛，包括通用應用產(chǎn)品（整流器、齊納二極管等）、邏輯和電源產(chǎn)品（雙向可控硅、電源IC）以及接口和微控制器產(chǎn)品等。

　　如今，無刷直流電機(BLDC)已取代傳統(tǒng)的有刷直流(BDC)電機，廣泛用于各種應用之中。

　　無刷直流電機不但在效率和可靠性方面有上佳表現(xiàn)，而且擁有更低的噪聲、更輕的重量和更長的使用壽命，還消除了換向器火花，減少了總體電磁輻射，因而在白電、暖通空調及工業(yè)應用領域日益受到追捧。

　　與多數(shù)電機控制相同，無刷直流電機控制器由控制單元和電源單元構成，恩智浦同時為這兩個單元提供極具競爭力的解決方案。本文將重點討論恩智浦針對功率300W、電壓12-30V的無刷直流電機開發(fā)的演示板。轉子定向反饋利用霍爾傳感器確定，并通過個人電腦采用CAN或UART方式與外界相連。

圖1

　　Cortex-M0內核是ARM在2009年發(fā)布的最新內核之一，也是市場上體積最小、功耗最低、最節(jié)能的ARM處理器，能夠以8位產(chǎn)品的價格實現(xiàn)32位產(chǎn)品的性能，為從8位架構跳過16位架構、直接移植到32位架構創(chuàng)造了可能。

　　ARM Cortex-M0內核基于ARMv6-M架構，采用包含Thumb-2技術的所謂Thumb指令集。

　　Thumb指令集可以基于16位指令實現(xiàn)32位運算，因而為減小代碼大小提供了可能。

　　Thumb ISA（指令集架構）僅包括56條指令，每條指令均保證執(zhí)行時間。從這個角度來看，Cortex-M0可提供完全可以確定的響應時間。由于采用的是32位架構，因此，即使是16位指令，也可以用一條指令實現(xiàn)8位、16位或32位數(shù)據(jù)傳輸。

　　至于編程模型，Cortex-M0采用的是由13個通用寄存器（r0-r7 低寄存器和r8-r12 高寄存器）、3個特殊寄存器（堆棧指針、鏈接寄存器和程序計數(shù)器）和1個器件狀態(tài)指示寄存器（xPSR，程序狀態(tài)寄存器）構成的寄存器集，如下圖所示。

圖2

　　如前所述，所有指令均在固定時間內執(zhí)行完畢。例如，數(shù)據(jù)處理指令在一個周期內完成，數(shù)據(jù)傳輸指令在兩個周期內完成，分支指令(branch)則在三個周期內完成。

　　除內核以外，Cortex-M0集成了一個可以處理中斷和系統(tǒng)異常的嵌套向量中斷控制器(NVIC)。Cortex-M0內核具有完全確定的中斷處理行為，默認值為16個周期，無抖動。NVIC最多能處理32個優(yōu)先矢量。與Cortex-M3架構相同，這種架構支持尾鏈中斷（Tail chaining）和后到（Late arriving）中斷。

　　2009年，恩智浦半導體發(fā)布了LPC1100家族中的第一款產(chǎn)品，也是首款基于Cortex-M0內核的微控制器系列產(chǎn)品。

　　據(jù)Dhrystone測量結果，LPC1100系列可以提供0.9 DMIPS/MHz的運算能力。

　　根據(jù)基于嵌入式器件真實性能的Coremark (http://www.coremark.org)基準測試，恩智浦LPC1100系列取得了1.4 Coremark/MHz的高分，遠遠超過8位和16位產(chǎn)品市場的同類產(chǎn)品。與此同時，減小的代碼尺寸還可以給用戶帶來性能上的提升。得益于Cortex-M0架構，開發(fā)員平均可以節(jié)省40%左右的閃存利用空間。

　　由于極低的門數(shù)，基于Cortex-M0的器件可應用于低功耗應用之中，比如醫(yī)療設備、電子計量儀器、電機控制、電池供電型傳感器等。ARM出品的Cortex-M系列處理器可支持多種功耗模式：睡眠模式、深度睡眠模式和省電模式。

　　LPC1100系列最高支持50 MHz的時鐘速率，屬于零延遲架構，集成簡單的AHB-Lite接口?？驁D如下所示：

圖3

　　LPC111x集成了工業(yè)、消費、白電應用中嵌入式控制系統(tǒng)所需要的全部外設。閃存容量最高達32KB，價格65美分/片起（適用采用8K閃存的器件）。

　　針對無刷直流電機控制需要，LPC1100系列產(chǎn)品集成4個計時器（16位和32位各2個），共有13個匹配輸出，每個匹配輸出都可配置為PWM模式。其中6個PWM信號在演示板中用于驅動MOSFET的高、低端。

　　LPC1100上的通用輸入/輸出(GPIO)具有較高的可配置特性，可用作在上升沿和下降沿激活或者兩個沿同時激活的外部中斷。轉子定向反饋通過這些GPIO中斷獲取。

圖4

　　LPC1100擁有一個8通道10位模數(shù)轉換器(ADC)，其中一個通道用作過流保護，其方法是通過一個分流電阻測量電機電流。

　　不用傳感器，通過在無刷直流電機換向過程中測量浮動相位電壓，偵測轉子位置。這要求在獲取浮動相位電壓時精確計時。在LPC1100中，模數(shù)轉換可通過四個計時器中兩個計時器的匹配事件來觸發(fā)。這樣可以減少CPU負荷，并在適當時刻精確捕捉浮動相位。

　　為了與外界相連，LPC1100集成了UART和/或CAN接口。

　　為了進一步支持無刷直流電機，恩智浦標準產(chǎn)品事業(yè)部于2009年推出了采用Trench技術的新一代（第六代）Mosfet，為工業(yè)部門提供了電機控制等多種應用支持。新型Trench 6

　　Mosfet產(chǎn)品具有以下優(yōu)勢：降低了低導通電阻RDS(ON)器件的Rspec - mΩ / mm2值，為快速開關創(chuàng)造了條件；降低了柵極電荷和開關損耗；低QG(tot)和低FOM，最大限度地提高了效率；將Tj(最大)提升至175C，為高可靠和高性能應用提供了大力支持。不斷擴大的產(chǎn)品組合將為電機控制應用提供完美支撐。

　　今后，我們的Cortex-M產(chǎn)品研發(fā)將支持無刷直流電機的磁場定向控制和U/f控制。這是我們微控制器系列研發(fā)理念的延續(xù)，我們一貫基于ARM7、Cortex-M0、Cortex-M3、新型Cortex-M4等架構提供相似的外設IP、軟件兼容支持和輕松移植能力，彰顯了我們對這種理念的傳承。

　　這種策略不但使我們能夠針對不同電機控制方法在CPU性能和必要外設之間取得最佳平衡，而且能夠在各種項目中實現(xiàn)工具和軟件的循環(huán)利用（例如，為Cortex-M0編寫的軟件模塊可以在Cortex-M3/M4微控制器中重復利用）。如此一來，我們的客戶不但可以大幅縮短上市時間，還能最大限度地減少工具投資（相同的IDE、調試和編程工具）。