CN110632379A - 一种电机控制单电阻采样方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电子技术领域，具体涉及了一种电机控制单电阻采样方法，具体公开了采用中微MO芯片的引脚复用技术以及ADC内部通道技术，通过中微MO芯片的一个引脚(OP_O/ADC_CH2)对应两个ADC通道，相应地也有两个ADC结果寄存器，在采样的过程中可以将两次采样的结果分别寄存在两个ADC结果寄存器中，实现采样过程的稳定性，获得准确的采样结果。

Description

一种电机控制单电阻采样方法
技术领域
本发明涉及电子技术领域，特别涉及一种在电机控制领域被广泛采用的单电阻采样方法。
背景技术
据统计，全球60％的电力消耗都来源于电机，电机控制是一个多元而广阔的应用市场。通常地，为了能够采集到电机的相电流，我们使用 3电阻采集方法，即在3相桥式电路的3个下桥臂分别串联3个采样电阻，利用SVPWM(空间矢量PWM)的零矢量区阶段下桥臂的续流作用来获取电机的3相电流。为了放大电流，同时抑制电流的开关噪声，每个采样电阻都需要在后级使用一个运算放大器。那么总共需要3个采样电阻，3个运算放大器(有时候也使用2个运算放大器)，这对于一些成本敏感的领域，是无法接受的。因而单电阻技术(1-Shunt)应运而生。顾名思义，单电阻技术就是使用1个采样电阻，一个运算放大器就可以实现电机3相电流采集的一种技术。单电阻技术除了能极大地降低方案的成本，同时也可以有效地提高电压的利用率，进而提升电机的高速运行能力。
单电阻采样技术对MCU外设要求极高，至少应具备以下三点：第一、 PWM模块能够产生非对称的PWM波形。第二、在一个PWM周期内，任意时刻触发2次ADC采集。第三、具备合理的ADC结果获取的机制。对于第三点，通常又有三种主流的做法：1.只采用一个ADC通道，开启ADC 转换完成的中断，每转换完成一次后，就去读取ADC转换的结果(简称为中断法)；2.带DMA功能的MCU，可使用DMA数据传输功能在后台将 ADC转换结果存放在Buffer里(简称为DMA法)；3.同一个ADC通道对应2级FIFO(简称为FIFO法，相当于2个结果寄存器)。
方法1的弊端在于会打断正在进行的FOC电机算法的执行；方法2 的弊端在于很多低端的MCU是不带DMA功能的，因为会增加MCU的成本；方法3的弊端在于一旦出现干扰信号使FIFO的指针出错，那么数据就会全部乱掉，从而导致电机运行出错。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种电机控制单电阻采样方法。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：包括中微M0 芯片；所述中微M0芯片包括运放模块、PWM模块和ADC采样模块；
所述的单电阻采样方法包括以下步骤：
(1)M0芯片的ADC通道分为内部通道和外部通道，M0芯片的运放输入引脚与采样电阻电性连接，M0芯片的运放输出引脚与外部ADC输入端相连，选用运放OPA0作为用于放大流过单电阻上的电流信号；
(2)选择M0芯片内置PWM计数器(CNT0～CNT5)的向上计数边沿或者向下计数边沿的任意一个时刻作为触发时刻，产生触发事件；
(3)M0芯片内置的两个数字比较器的输出分别连接内部ADC通道和外部ADC通道
(4)M0芯片的内部ADC通道和外部ADC通道分别连接各自的结果寄存器。
优选的：M0芯片的运放输出引脚同时作为运放的输出脚和外部ADC 输入通道时，M0芯片的内部开关S5闭合。
优选的：数字比较器0和数字比较器1都选择PWM的计数器CNT0 的向下计数边沿作为比较触发。
优选的：运放OPA0的输出配置为内部ADC通道通过内部线路连接到AN30通道，结果寄存在寄存器ADCDATA30；运放OPA0的输出引脚配置为外部ADC通道，结果寄存在寄存器ADCDATA02。
优选的：数字比较器0的输出事件用于触发AN30通道，数字比较器1的输出事件用于触发AN02通道。
本发明的有益之处在于：基于中微半导体最新的M0内核的芯片独有的引脚复用技术和ADC内部通道技术，通过中微MO芯片的一个引脚 (OP_O/ADC_CH2)对应两个ADC通道，相应地也有两个ADC结果寄存器，在采样的过程中可以将两次采样的结果分别寄存在两个ADC结果寄存器中，避免了采用中断法需要进入ADC中断服务子程序去读取ADC转换的结果，从而打断电机控制算法执行的弊端；也避免了FIFO法出现异常导致ADC存储结果顺序出错的问题。从而使得采样过程稳定，得到准确的ADC采样结果，电机控制算法的实施也更加流畅；采用中微MO芯片实现单电阻采样成本更低，应用更加广泛。
附图说明
图1为中微MO芯片内部架构；
图2为两个内置数字比较器组成的ADC触发源；
图3为流畅的电机控制算法执行时序。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚的说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
中微M0 MCU内置2个通用运算放大器，2个ADC模块(1个低速 100Ksps ADC(ADC0)，一个高速2Msps ADC(ADC1))。ADC输入通道可选择外部引脚输入，也可选择直接连接芯片内部的信号，比如运放0/1的输出，PGA0/1的输出。假定选择运放0放大流过采样电阻的电流，那么可选择内部ADC通道来读取运放0的输出电压。同时运放0的输出引脚又可以复用成其他的外部ADC通道。这样的话，相当于2个ADC通道就可以完美地实现单电阻技术。
如图1所示，是本发明所采用的中微M0芯片的内部架构，ADC通道分为内部通道和外部通道，其中AN00/AN01/AN02属于外部通道，AN30 属于内部通道，OPA为中微MO芯片内置的运算放大器，运算放大器的输入引脚与采样电阻电性连接，运放的输出端直接从芯片内部连接到AN30 通道，此时S1闭合，即可连接到中微MO芯片内置的ADC采样模块上，内部ADC通道对应的结果寄存器为ADCDATA30，可将一次采样的结果寄存在ADCDATA30寄存器中。
OPA的输出引脚，即ADC_CH2与外部ADC采样芯片相连接，构成外部ADC通道，此时S5闭合，当ADC转换后，将ADC转换结果寄存在外部ADC通道对应的结果寄存器ADCDATA02中。
这样就可以在不需要进入中断程序来读取ADC转换结果，电机控制算法的执行不会被其他事件打断，且不会因为出现异常原因导致ADC触发事件出错，从而导致ADC结果对应关系出错的问题。
如图2所示是两个内置数字比较器组成的ADC触发源，可以选择PWM 计数器(CNT0～CNT5)的向上计数边沿或者向下计数边沿的任意一个时刻作为触发时刻，产生触发事件；本发明的数字比较器0和数字比较器 1都选择PWM0的计数器CNT0的向下计数边沿作为比较触发。
PWM模块一般具有PWM周期寄存器、计数器和比较寄存器，软件设定周期寄存器和比较寄存器后，启动计数器，计数器从0开始加1计数，当计数器的值小于比较寄存器的值时，PWM模块输出低电平，大于等于比较寄存器时，PWM模块输出高电平，当计数器的值等于PWM周期寄存器的值时，计数器清零，重新从0开始加1计数，这样可以周期性的产生PWM脉冲。
数字比较器0的输出事件用于触发AN30通道，ADC转换结果存放在 ADCDATA30结果寄存器中；数字比较器1的输出事件用于触发AN02通道，转换结果存放在ADCDATA02结果寄存器中。
如图3所示是流畅的电机控制算法执行时序。其中黑框部分为进入 PWM的零点中断服务子程序后读取ADC结果寄存器中的值(ADCDATA30， ADCDATA02)；虚线部分为电机控制算法执行。从图中我们可以清楚地看到，电机控制算法一直在持续运行，没有受到任何外部事件的打断。
本发明的采样方法采用3个主要函数控制程序，包括： EPWM_Config(),ADC_Config(),EPWM_IRQHandler()
函数EPWM_Config()的作用是配置芯片的PWM模块，使之产生3组互补的PWM波形输出，为了满足单电阻采样的需求，这3组PWM输出采用非对称的方式(单电阻采样的需求，可参考相关文献，这里就不赘述) 该函数的具体设置步骤为：
(1)将6路PWM IO口设置为普通输出口，根据外围驱动和MOS的特性，输出相应的高低电平；
(2)将PWM的计数时钟设置为上下计数模式，非对称互补输出模式(单电阻采样算法对PWM的要求)；
(3)设置PWM的计数时钟，时钟频率越高，PWM占空比的变化量越小，占空比的调节越细腻(本案采用48MHz)；
(4)设置PWM周期寄存器，即配置电机运行的载波频率；
(5)设置PWM的占空比寄存器的初始值；
(6)设置PWM的死区时间(根据不同MOS进行调整)；
(7)设置PWM计数器的加载方式，通常采用自动加载模式；
(8)设置PWM的中断(本案采用零点中断)及优先级；
(9)设置数字比较器DCMP0/1的触发条件(本案选择PWM计数器0 的下降沿，且与CMPTGDAT0/CMPTGDAT1的值匹配时产生触发条件)；
(10)启动PWM计数器。
函数ADC_Config的作用是配置芯片的ADC模块，主要是将ADC触发条件设置为硬件触发(EPWM计数比较器0/1)，该函数的具体设置步骤为：
(1)配置ADC模块的工作时钟(本案采用12MHz)；
(2)选择ADC模块的输入通道(本案选择AN02和AN30通道)；
(3)AN02通道的触发条件设置为EPWM计数比较器0；
(4)AN30通道的触发条件设置为EPWM计数比较器1；
(5)启动ADC模块，开始进行ADC转换。
至此ADC模块配置完成，即可在非对称PWM下降沿的任何位置设置触发条件(在具体的实施过程中，不断地更改CMPTGDAT0/CMPTGDAT1的值)。
函数EPWM_IRQHandler()是PWM中断服务子程序，本案中采用PWM 的零点中断，即PWM计数器的零点到来后，自动进入中断服务子程序，该函数的具体实施步骤为：
(1)读取ADC转换结果(本案中需要读取AN02和AN30的ADC转换结果)；
(2)通过电流重构函数，计算出电机U,V,W 3相电流；
(3)执行电机控制算法(由于ADC模块没有设置中断，电机控制算法在整个执行过程中不会被打断)。
上述实施方式是优选的实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种电机控制单电阻采样方法，其特征在于，包括中微M0芯片；所述中微M0芯片包括运放模块、PWM模块和ADC采样模块；
所述的单电阻采样方法包括以下步骤：
(1)M0芯片的ADC通道分为内部通道和外部通道，M0芯片的运放输入引脚与采样电阻电性连接，M0芯片的运放输出引脚与外部ADC输入端相连，选用运放OPA0作为用于放大流过单电阻上的电流信号；
(2)选择M0芯片内置PWM计数器(CNT0～CNT5)的向上计数边沿或者向下计数边沿的任意一个时刻作为触发时刻，产生触发事件；
(3)M0芯片内置的两个数字比较器的输出分别连接内部ADC通道和外部ADC通道
(4)M0芯片的内部ADC通道和外部ADC通道分别连接各自的结果寄存器。
2.根据权利要求1所述的电机控制单电阻采样方法，其特征在于：M0芯片的运放输出引脚同时作为运放的输出脚和外部ADC输入通道时，M0芯片的内部开关S5闭合。
3.根据权利要求1所述的电机控制单电阻采样方法，其特征在于：数字比较器0和数字比较器1都选择PWM的计数器CNT0的向下计数边沿作为比较触发。
4.根据权利要求1所述的电机控制单电阻采样方法，其特征在于：运放OPA0的输出配置为内部ADC通道通过内部线路连接到AN30通道，结果寄存在寄存器ADCDATA30；运放OPA0的输出引脚配置为外部ADC通道，结果寄存在寄存器ADCDATA02。
5.根据权利要求3所述的电机控制单电阻采样方法，其特征在于：数字比较器0的输出事件用于触发AN30通道，数字比较器1的输出事件用于触发AN02通道。
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