CN215344414U - 无刷直流电机及其微控制器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种无刷直流电机及其微控制器。该微控制器包括捕捉比较功能模块、模数转换功能模块、模拟比较功能模块、中央处理单元、以及四个引脚，其中：四个引脚中的第一、第二、以及第三引脚均连接到捕捉比较功能模块、模数转换功能模块、模拟比较功能模块、以及中央处理单元的输入端，四个引脚中的第四引脚连接到模拟比较功能模块和中央处理单元的输入端，并且捕捉比较功能模块、模数转换功能模块、以及模拟比较功能模块的输出端连接到中央处理单元的输入端。根据本实用新型实施例的用于无刷直流电机的微控制器，既能用于采用基于传感器的控制方法的BLDC，也能用于采用无需传感器的控制方法的BLDC，适合用于BLDC的控制器平台，具有较好的经济价值。

Description

无刷直流电机及其微控制器
技术领域
本实用新型涉及电路领域，尤其涉及一种无刷直流电机及其微控制器。
背景技术
无刷直流电机(BLDC)相比传统的有刷电机、交流感应电机，具有效率高、功率密度大等优势，应用越来越广泛。BLDC是一种同步电机，在正常工作时要求定子的磁场角度与转子的磁场角度保持固定的相对角度。通常，使用微控制器(MCU)确定转子的实时位置并根据转子的实时位置来控制半导体开关的开关动作，以使得定子的磁场角度的变化和转子的磁场角度的变化保持同步。低成本、高精度地确定转子的实时位置是用于BLDC的控制器的长期发展目标。
实用新型内容
根据本实用新型实施例的用于无刷直流电机的微控制器，包括捕捉比较功能模块、模数转换功能模块、模拟比较功能模块、中央处理单元、以及四个引脚，其中：四个引脚中的第一、第二、以及第三引脚均连接到捕捉比较功能模块、模数转换功能模块、模拟比较功能模块、以及中央处理单元的输入端，四个引脚中的第四引脚连接到模拟比较功能模块和中央处理单元的输入端，并且捕捉比较功能模块、模数转换功能模块、以及模拟比较功能模块的输出端连接到中央处理单元的输入端。
根据本实用新型实施例的用于无刷直流电机的微控制器包括高集成度的BLDC转子位置检测电路。根据本实用新型实施例的用于无刷直流电机的微控制器，既能用于采用基于传感器的控制方法的BLDC，也能用于采用无需传感器的控制方法的BLDC，具有较好的经济价值。
附图说明
从下面结合附图对本实用新型的具体实施方式的描述中可以更好地理解本实用新型，其中：
图1示出了采用基于传感器的控制方法的BLDC的系统框图。
图2示出了在用于BLDC的MCU包括CPU和CCU模块二者的情况下，与图1所示的BLDC有关的多个信号的时序图。
图3示出了采用无需传感器的控制方法的BLDC的系统框图。
图4示出了与图2所示的BLDC有关的多个信号的时序图。
图5示出了根据本实用新型实施例的用于BLDC的MCU的示例框图。
具体实施方式
下面将详细描述本实用新型的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本实用新型的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本实用新型可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本实用新型的示例来提供对本实用新型的更好的理解。本实用新型决不限于下面所提出的任何具体配置，而是在不脱离本实用新型的精神的前提下覆盖了元素和部件的任何修改、替换和改进。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以便避免对本实用新型造成不必要的模糊。另外，需要说明的是，这里使用的用语“A与B连接”可以表示“A与B直接连接”也可以表示“A与B经由一个或多个其他元件间接连接”。
按照是否使用传感器来检测转子的实时位置，可以将用于BLDC的控制方法分为基于传感器的控制方法和无需传感器的控制方法。图1示出了采用基于传感器的控制方法的BLDC 100的系统框图。如图1所示，BLDC 100包括半导体开关101、电机102、三个霍尔器件103、以及MCU104，其中：三个霍尔器件103设置在靠近电机102的转子的位置，用于检测转子的实时位置；当电机102的转子处于不同位置时，三个霍尔器件103输出不同的霍尔信号；MCU 104经由通用输入/输出(GPIO)端口模块从三个霍尔器件103读取霍尔信号，基于这些霍尔信号的跳变边沿控制半导体开关101的开关动作，以使得电机102的定子的磁场角度的变化与转子的磁场角度的变化保持同步。
在图1所示的BLDC 100中，MCU 104可以包括中央处理单元(CPU)，由CPU周期性地判断霍尔信号的跳变边沿并根据霍尔信号的跳变边沿控制半导体开关101的开关动作。由于霍尔信号的跳变时刻是随机的，CPU周期性地判断霍尔信号的跳变边沿会导致半导体开关101的开关动作晚于霍尔信号的边沿跳变，从而会引入时延。
为了避免时延，在图1所示的BLDC中，MCU 104除了包括CPU以外还可以包括捕捉比较单元(CCU)模块，其中，由CCU模块实时捕捉霍尔信号的跳变边沿并根据霍尔信号的跳变边沿产生中断，由CPU基于CCU模块产生的中断实时控制半导体开关101的开关动作。包括CPU和CCU模块二者的MCU特别适合用于高速BLDC，并且可以得到均匀的换相时刻。
图2示出了在用于BLDC的MCU包括CPU和CCU模块二者的情况下，与图1所示的BLDC有关的多个信号的时序图。如图2所示，HA、HB、HC分别表示三个霍尔器件103的输出信号；U+、U-表示用于控制电机102的第一相线电压的开关信号；V+、V-表示用于控制电机102的第二相线电压的开关信号；W+、W-表示用于控制电机102的第三相线电压的开关信号。
由于霍尔器件的价格较高，为了节省成本，很多低成本BLDC需要去掉霍尔器件。在BLDC中，转子旋转时在定子上感生的相线电压是反电势。由于这些相线电压是单调变化的，所以可以通过检测BLDC的各个相线电压的中点(即，代表相线电压的曲线的中点)得到转子的位置。
图3示出了采用无需传感器的控制方法的BLDC 100’的系统框图。如图3所示，BLDC100’包括半导体开关101、电机102、MCU 104’、以及分压电路105，其中：分压电路105将电机102的各个相线电压等比衰减到MCU 104’的引脚可承受的电压范围；MCU 104’判断电机102的各个相线电压的中点，并根据这些相线电压的中点控制半导体开关101的开关动作，以使得电机102的定子的磁场角度的变化与转子的磁场角度的变化保持同步。
在图3所示的BLDC 100’中，由于电机102的相线电压是模拟信号，MCU 104’可以包括模数转换器(ADC)模块和CPU，其中，由ADC模块将模拟信号(即，电机102的相线电压)转换为数字信号，由CPU采用合适的规则得到电机102的各个相线电压的中点并根据这些中点控制半导体开关101的开关动作。
可选地，在图3所示的BLDC 100’中，MCU 104’可以包括模拟比较器(ACMP)模块和CPU，由ACMP模块比较电机102的各个相线电压与相应的虚拟中点得到这些相线电压的中点，由CPU根据这些相线电压的中点控制半导体开关101的开关动作。这里，与电机102的各个相线电压对应的虚拟中点是由分压电路105构建的。
图4示出了与图2所示的BLDC有关的多个信号的时序图。如图4所示，U、V、W分别表示电机102的三个相线电压；U+、U-表示用于控制电机102的第一相线电压的开关信号；V+、V-表示用于控制电机102的第二相线电压的开关信号；W+、W-表示用于控制电机102的第三相线电压的开关信号。
如上所述，图1所示的BLDC 100中需要GPIO模块和CCU模块处理数字信号(即，霍尔信号)；图2所示的BLDC 100’中需要ADC模块或ACMP模块处理模拟信号(即，相线电压)。本实用新型提出了用于BLDC的MCU，其中集成了GPIO、CCU、ADC、ACMP四种电路，并且该MCU的相同的一组引脚既可以读取霍尔信号又可以读取相线电压，提高了MCU应用的灵活性。
图5示出了根据本实用新型实施例的用于BLDC的MCU 500的示例框图。如图5所示，MCU 500包括捕捉比较功能模块111、模数转换功能模块112、模拟比较功能模块113、CPU(图中未示出)、以及四个引脚P0-P3，其中：第一、第二、以及第三引脚P0-P2均连接到捕捉比较功能模块111、模数转换功能模块112、模拟比较功能模块113、以及CPU的输入端，第四引脚P3连接到模拟比较功能模块113和CPU的输入端，并且捕捉比较功能模块111、模数转换功能模块112、以及模拟比较功能模块113的输出端连接到CPU的输入端。
如图5所示，在一些实施例中，MCU 500还可以包括第一、第二、第三、以及第四GPIO模块110_0至110_3，其中：第一GPIO模块110_0的输入端连接到第一引脚P0、输出端连接到捕捉比较功能模块111、模数转换功能模块112、模拟比较功能模块113、以及CPU的输入端；第二GPIO模块110_1的输入端连接到第二引脚P1、输出端连接到捕捉比较功能模块111、模数转换功能模块112、模拟比较功能模块113、以及CPU的输入端；第三GPIO模块110_2的输入端连接到第三引脚P2、输出端连接到捕捉比较功能模块111、模数转换功能模块112、模拟比较功能模块113、以及CPU的输入端；第四GPIO模块110_3的输入端连接到第四引脚P3、输出端连接到模拟比较功能模块113和CPU。
这里，需要说明的是，GPIO模块110_0至110_3具有准双向、推挽、开漏、和只输入四种工作模式，其中，GPIO模块110_1至110_3在处于只输入模式时可以接收模拟信号(例如，电机的相线电压)或数字信号(例如，霍尔信号)，在处于准双向模式时可以接收数字信号(例如，霍尔信号)。因此，在一些实施例中，当GPIO模块110_1至110_3工作在只输入模式时，MCU 500可以用于采用基于传感器的控制方法的无刷直流电机(例如，图1所示的BLDC)；当GPIO模块110_1至110_4工作在准双向模式或只输入模式时，MCU 500可以用于采用无需传感器的控制方法的无刷直流电机(例如，图2所示的BLDC)。
如图5所示，在一些实施例中，捕捉比较功能模块111可以包括通道选择器111_1、捕捉比较单元(CCU)111_2、以及中断产生单元111_4，其中：通道选择器111_1的输入端用作捕捉比较功能模块111的输入端、输出端连接到捕捉比较单元111_2的输入端，通道选择器111_1用于以分时选通的方式从来自第一、第二、以及第三引脚P0至P2的信号P0_Input、P1_Input、P2_Input中选择一个信号提供给捕捉比较单元111_2；捕捉比较单元111_2的输入端连接到通道选择器111_1的输出端、输出端连接到中断产生单元111_4的输入端，捕捉比较单元111_2用于捕捉由通道选择器111_1提供给其的信号的跳变边沿；中断产生单元111_4的输入端连接到捕捉比较单元111_2的输出端、输出端用作捕捉比较功能模块111的输出端，中断产生单元111_4用于根据捕捉比较单元111_2的输出信号产生中断。
可选地，如图5所示，在一些实施例中，捕捉比较功能模块111可以包括通道选择器111_1、捕捉比较单元(CCU)111_2、滤波去抖单元111_3、以及中断产生单元111_4，其中：通道选择器111_1的输入端用作捕捉比较功能模块111的输入端、输出端连接到捕捉比较单元111_2的输入端，通道选择器111_1用于以分时选通的方式从来自第一、第二、以及第三引脚P0至P2的信号P0_Input、P1_Input、P2_Input中选择一个信号提供给捕捉比较单元111_2；捕捉比较单元111_2的输入端连接到通道选择器111_1的输出端、输出端连接到滤波去抖单元111_3的输入端，捕捉比较单元111_2用于捕捉由通道选择器111_1提供给其的信号的跳变边沿；滤波去抖单元111_3的输入端连接到捕捉比较单元111_2的输出端、输出端连接到中断产生单元111_4的输入端，滤波去抖单元111_3用于去除捕捉比较单元111_2的输出信号中的短时毛刺；中断产生单元111_4的输入端连接到滤波去抖单元111_3的输出端、输出端用作捕捉比较功能模块111的输出端，中断产生单元111_4用于根据滤波去抖单元111_3的输出信号产生中断。这里，滤波去抖单元111_3的滤波时间可以配置，滤波去抖单元111_3的输出信号也可以直接输入到CPU(即，滤波去抖单元111_3的输出端也可以连接到CPU的输入端)，提高了应用灵活性。
如图5所示，在一些实施例中，模数转换功能模块112可以包括通道选择器112_1和模数转换器112_2，其中：通道选择器112_1的输入端用作模数转换功能模块112的输入端、输出端连接到模数转换器112_2的输入端，通道选择器112_1用于以分时选通的方式从来自第一、第二、以及第三引脚P0至P2的信号P0_Input、P1_Input、P2_Input中选择一个信号提供给模数转换器112_2；模数转换器112_2的输入端连接到通道选择器112_1的输出端、输出端用作模数转换功能模块112的输出端，模数转换器112用于将由通道选择器112_1提供给其的信号从模拟信号(例如，电机的相线电压)转换为数字信号。
如图5所示，在一些实施例中，模拟比较功能模块113可以包括通道选择器113_1、模拟比较器113_2、以及中断产生单元113_4，其中：通道选择器113_1的输入端用作模拟比较功能模块113的输入端、输出端连接到模拟比较器113_2的输入端，通道选择器113_1用于以分时选通的方式从来自第一、第二、以及第三引脚P0至P2的信号P0_Input、P1_Input、P2_Input中选择一个信号提供给模拟比较器113_2；模拟比较器113_2的输入端用作模拟比较功能模块113的输入端并连接到通道选择器113_1的输出端、输出端连接到中断产生单元113_4的输入端，模拟比较器113_2用于基于来自第四引脚P3的信号P3_Input和通道选择器113_1提供给其的信号得到通道选择器113_1提供给其的信号的中点；中断产生单元113_4的输入端连接到模拟比较器113_2的输出端、输出端用作模拟比较功能模块113的输出端，中断产生单元113_4用于根据模拟比较器113_2的输出信号产生中断。
可选地，如图5所示，在一些实施例中，模拟比较功能模块113可以包括通道选择器113_1、模拟比较器113_2、滤波去抖单元113_3、以及中断产生单元113_4，其中：通道选择器113_1的输入端用作模拟比较功能模块113的输入端、输出端连接到模拟比较器113_2的输入端，通道选择器113_1用于以分时选通的方式从来自第一、第二、以及第三引脚P0至P2的信号号P0_Input、P1_Input、P2_Input中选择一个信号提供给模拟比较器113_2；模拟比较器113_2的输入端用作模拟比较功能模块113的输入端并连接到通道选择器113_1的输出端、输出端连接到滤波去抖单元113_3的输入端，模拟比较器113_2用于基于来自第四引脚P3的信号P3_Input和通道选择器1113_1提供给其的信号得到通道选择器113_1提供给其的信号的中点；滤波去抖单元113_3的输入端连接到模拟比较器113_2的输出端、输出端连接到中断产生单元113_4的输入端，滤波去除单元113_3用于去除模拟比较器113_2的输出信号中的短时毛刺；中断产生单元113_4的输入端连接到滤波去除单元113_3的输出端、输出端用作模拟比较功能模块113的输出端，中断产生单元113_4用于根据滤波去抖单元113_3的输出信号产生中断。这里，滤波去抖单元113_3的滤波时间可以配置，滤波去抖单元113_3的输出信号也可以直接输入到CPU(即，滤波去抖单元113_3的输出端也可以连接到CPU的输入端)，提高了应用灵活性。
综上所述，根据本实用新型实施例的用于无刷直流电机的微控制器包括高集成度的BLDC转子位置检测电路。根据本实用新型实施例的用于无刷直流电机的微控制器，既能用于采用基于传感器的控制方法的BLDC，也能用于采用无需传感器的控制方法的BLDC，适合用于BLDC的控制器平台，具有较好的经济价值。
本实用新型可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本实用新型的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变都被包括在本实用新型的范围中。

Claims (11)

1.一种用于无刷直流电机的微控制器，其特征在于，包括捕捉比较功能模块、模数转换功能模块、模拟比较功能模块、中央处理单元、以及四个引脚，其中：
所述四个引脚中的第一、第二、以及第三引脚均连接到所述捕捉比较功能模块、所述模数转换功能模块、所述模拟比较功能模块、以及所述中央处理单元的输入端，
所述四个引脚中的第四引脚连接到所述模拟比较功能模块和所述中央处理单元的输入端，并且
所述捕捉比较功能模块、所述模数转换功能模块、以及所述模拟比较功能模块的输出端连接到所述中央处理单元的输入端。
2.根据权利要求1所述的微控制器，其特征在于，还包括：
第一通用输入输出端口模块，其输入端连接到所述第一引脚、输出端连接到所述捕捉比较功能模块、所述模数转换功能模块、所述模拟比较功能模块、以及所述中央处理单元的输入端；
第二通用输入输出端口模块，其输入端连接到所述第二引脚、输出端连接到所述捕捉比较功能模块、所述模数转换功能模块、所述模拟比较功能模块、以及所述中央处理单元的输入端；
第三通用输入输出端口模块，其输入端连接到所述第三引脚、输出端连接到所述捕捉比较功能模块、所述模数转换功能模块、所述模拟比较功能模块、以及所述中央处理单元的输入端；以及
第四通用输入输出端口模块，其输入端连接到所述第四引脚、输出端连接到所述模拟比较功能模块和所述中央处理单元的输入端。
3.根据权利要求1所述的微控制器，其特征在于，所述捕捉比较功能模块包括通道选择器、捕捉比较单元、以及中断产生单元，其中：
所述通道选择器的输入端用作所述捕捉比较功能模块的输入端、输出端连接到所述捕捉比较单元的输入端，所述通道选择器用于以分时选通的方式从来自所述第一、第二、以及第三引脚的信号中选择一个信号提供给所述捕捉比较单元，
所述捕捉比较单元的输入端连接到所述通道选择器的输出端、输出端连接到所述中断产生单元的输入端，所述捕捉比较单元用于捕捉由所述通道选择器提供给其的信号的跳变边沿，
所述中断产生单元的输入端连接到所述捕捉比较单元的输出端、输出端用作所述捕捉比较功能模块的输出端，所述中断产生单元用于根据所述捕捉比较单元的输出信号产生中断。
4.根据权利要求1所述的微控制器，其特征在于，所述捕捉比较功能模块包括通道选择器、捕捉比较单元、滤波去抖单元、以及中断产生单元，其中：
所述通道选择器的输入端用作所述捕捉比较功能模块的输入端、输出端连接到所述捕捉比较单元的输入端，所述通道选择器用于以分时选通的方式从来自所述第一、第二、以及第三引脚的信号中选择一个信号提供给所述捕捉比较单元，
所述捕捉比较单元的输入端连接到所述通道选择器的输出端、输出端连接到所述滤波去抖单元的输入端，所述捕捉比较单元用于捕捉由所述通道选择器提供给其的信号的跳变边沿，
所述滤波去抖单元的输入端连接到所述捕捉比较单元的输出端、输出端连接到所述中断产生单元的输入端，所述滤波去抖单元用于去除所述捕捉比较单元的输出信号中的短时毛刺，
所述中断产生单元的输入端连接到所述滤波去抖单元的输出端、输出端用作所述捕捉比较功能模块的输出端，所述中断产生单元用于根据所述滤波去抖单元的输出信号产生中断。
5.根据权利要求1所述的微控制器，其特征在于，所述模数转换功能模块包括通道选择器和模数转换器，其中：
所述通道选择器的输入端用作所述模数转换功能模块的输入端、输出端连接到所述模数转换器的输入端，所述通道选择器用于以分时选通的方式从来自所述第一、第二、以及第三引脚的信号中选择一个信号提供给所述模数转换器，
所述模数转换器的输入端连接到所述通道选择器的输出端、输出端用作所述模数转换功能模块的输出端，所述模数转换器用于将由所述通道选择器提供给其的信号从模拟信号转换为数字信号。
6.根据权利要求1所述的微控制器，其特征在于，所述模拟比较功能模块包括通道选择器、模拟比较器、以及中断产生单元，其中：
所述通道选择器的输入端用作所述模拟比较功能模块的输入端、输出端连接到所述模拟比较器的输入端，所述通道选择器用于以分时选通的方式从来自所述第一、第二、以及第三引脚的信号中选择一个信号提供给所述模拟比较器，
所述模拟比较器的输入端用作所述模拟比较功能模块的输入端并连接到所述通道选择器的输出端、输出端连接到所述中断产生单元的输入端，所述模拟比较器用于基于来自所述第四引脚的信号和所述通道选择器提供给其的信号得到所述通道选择器提供给其的信号的中点，
所述中断产生单元的输入端连接到所述模拟比较器的输出端、输出端用作所述模拟比较功能模块的输出端，所述中断产生单元用于根据所述模拟比较器的输出信号产生中断。
7.根据权利要求1所述的微控制器，其特征在于，所述模拟比较功能模块包括通道选择器、模拟比较器、滤波去抖单元、以及中断产生单元，其中：
所述通道选择器的输入端用作所述模拟比较功能模块的输入端、输出端连接到所述模拟比较器的输入端，所述通道选择器用于以分时选通的方式从来自所述第一、第二、以及第三引脚的信号中选择一个信号提供给所述模拟比较器，
所述模拟比较器的输入端用作所述模拟比较功能模块的输入端并连接到所述通道选择器的输出端、输出端连接到所述滤波去抖单元的输入端，所述模拟比较器用于基于来自所述第四引脚的信号和所述通道选择器提供给其的信号得到所述通道选择器提供给其的信号的中点，
所述滤波去抖单元的输入端连接到所述模拟比较器的输出端、输出端连接到所述中断产生单元的输入端，所述滤波去除单元用于去除所述模拟比较器的输出信号中的短时毛刺，
所述中断产生单元的输入端连接到所述滤波去除单元的输出端、输出端用作所述模拟比较功能模块的输出端，所述中断产生单元用于根据所述滤波去抖单元的输出信号产生中断。
8.根据权利要求1所述的微控制器，其特征在于，当所述第一、第二、以及第三通用输入输出端口模块工作在只输入模式时，所述微控制器用于采用基于传感器的控制方法的无刷直流电机。
9.根据权利要求1所述的微控制器，其特征在于，当所述第一、第二、第三、以及第四通用输入输出端口模块工作在准双向模式或只输入模式时，所述微控制器用于采用无需传感器的控制方法的无刷直流电机。
10.根据权利要求4或7所述的微控制器，其特征在于，所述滤波去抖单元的输出端还连接到所述中央处理单元的输入端。
11.一种无刷直流电机，包括根据权利要求1至9中任一项所述的微控制器。
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