由于MCU和DSC的成本大幅下降，目前多數馬達控制設計中都使用MCU和數字信號控制器（DSC）來執行馬達控制算法。本文介紹了一些方法和技巧，可將MCU或DSC的邏輯層輸入/輸出口（I/O）與功率電子驅動電路接口，并講述了如何正確地進行相關硬件及軟件開發的方法。

　　在進行MCU或DSC的邏輯層輸入/輸出口（I/O）與功率電子驅動電路的接口設計時，除了性能和價格需要權衡考慮外，還有許多方面要折衷處理。我們可根據以下問題來選擇接口元件：

　　1. 本電路需要驅動何種馬達？

　　2. 該馬達采用何種算法進行控制？

　　3. 控制器外設可簡化哪些接口要求？

　　4. 電氣安全要求是什么？

　　5. 此設計是否用于產品開發？

　　柵極驅動接口電路

　　半橋輸出電路結構可用于控制多種馬達，包括有刷直流馬達、無刷直流馬達、交流感應式馬達及永磁交流馬達。電源級電路需要一個柵極驅動接口電路，該電路至少應具備以下功能：1. 將MCU的邏輯輸出電平進行轉換，在晶體管的柵極和源極間提供一個10-15V的電平。2. 在晶體管的開通和關斷時提供足夠大的驅動電流，以克服米勒電容的影響。

　　高端輸出器件向來是柵極驅動接口電路的一個問題。在電源輸出級電路中，無論是高端或低端輸出都應該采用N溝道器件。在裸片尺寸和擊穿電壓固定的情況下，P溝道器件的導通電阻往往比N溝道器件高。使用P溝道器件可簡化柵極驅動電路，但會增加設計成本。裸片尺寸越大成本越高，而且P溝道器件往往比同類的N溝道器件成本高。

　　由于低端器件的電位是相對于電路的接地點而言的，因此在電源級電路中產生一個用于低端器件的柵極電源電壓十分容易。柵極控制電壓必須以源極電壓為參考，在高端晶體管中它是滿幅電壓。因此，電源級電路中的高端器件需要一個柵極電源，該電源基于源極電壓上下浮動。

　　現在有許多便宜的IC可簡化柵極驅動電路的設計。但其中有些只是簡單的大電流驅動電路，不具備高端器件所需的電平轉換電路。另一些則包括電平轉換電路，可直接與邏輯及功率器件接口。選擇柵極驅動器時要視設計的絕緣要求而定。光電耦合器既可以滿足電平轉換要求，又使我們可在設計中選用簡單的柵極驅動器IC。

　　在許多馬達控制設備中，線路總電源從與AC線路直接相連的全波整流電路獲得并經過濾波。整流器的低端電壓成為整個電路的參考電壓（0V）。不過，這一參考電壓并非接地電壓。在低端也存在交流電壓，它在OV左右和峰值線電壓間來回波動。在許多低成本應用中，將MCU或DSC基于這一低端電位上下浮動是有意義的。不過，如果設計要求測試或現場服務的話，出于安全考慮最好加上信號隔離。至少在產品開發階段使用的馬達驅動硬件應該具有信號隔離功能。

　　即使從盡量減少破壞來考慮，也應該采用隔離電路。在某一具體設計中，即使沒有隔離反饋信號，也應該隔離柵極控制信號。否則，電源器件可能會損壞或短路，從而使得直流總線電壓通過驅動電路耦合回來并流入邏輯器件中。

　　柵極驅動器IC通常具有其它特性，包括欠壓斷電保護、插入一段死區、防止高端功率器件和低端功率器件交叉導通以及過電流自動關機等。不過這些功能也會增加額外成本。

　　有多種方法可產生柵極驅動電路的電源。原則上來說，高端驅動電路應該產生一個比DC總線電壓高出10-15V的電壓，用于輸出級電路。由于自舉電路無需浮動電源，因此是最便宜的。如圖1所示，自舉電路給一只電容器充電，電容器上的電壓基于高端輸出晶體管源極電壓上下浮動。下面的晶體管開通時將高端晶體管的源極電壓拉到0 V，只有此時電路才對電容器充電。電容器必須儲備足夠的電荷，以便在上端的晶體管處于開通狀態時維持所需的柵極電壓。由于帶有電容器，自舉電源無法保證上面的晶體管一直開通。當自舉電容器上的電壓下降時，高端器件便會關斷。

　　由自舉電路的局限性所產生的副作用與馬達類型有關。對用正弦波電流驅動的馬達而言，自舉電路會限制加在反相器上的PWM占空比。我們可以通過改變自舉電路中元件的大小來增大占空比。不過，由于BLDC和SR電動機需要換相，因此通常不采用自舉電路。

　　如果高端器件的柵極驅動必須保持連續，那么必須使用浮動電路來產生比直流總線電壓高10 V至15 V的電壓。我們可以采用充電泵電路，它的電壓是相對高端晶體管的源極電壓而言的。另一種方法則是用一個高頻信號來調制柵極信號，這樣在柵極驅動信號出現時，高頻信號也會出現。在圖2中，調制信號通過一只變壓器耦合到晶體管的柵極和源極，并在變壓器的次級經過整流產生柵極驅動電壓。但是，這兩種方法都會增加設計的成本。

　　馬達反饋信號

　　馬達和電源控制電路需要提供各種信號，這些信號視馬達的類型及控制算法而定。采集一種反饋信號的方法很多。例如，許多馬達控制算法需要知道負載中的相電流。測量相電流的最簡單方法是使用霍爾效應電流傳感器。霍爾傳感器與驅動馬達的高壓電路完全隔離，它使用邏輯電路的電源，連接到MCU或者DSC中的A/D轉換器時所需元件極少，缺點則是成本高。

　　測量相電流的另一個方法是采用PWM電流傳感器IC。它測量一只與負載串聯、對電流敏感的電阻器上的電壓降。經過設計，這些器件基于功率輸出級輸出的滿幅電壓上下浮動，并采用自舉電源供電。這種傳感器的輸出是PWM信號，它的占空比與感應電阻器中的電流成正比，并有兩種方法與微控制器連接。第一種方法是采用一個RC濾波器網絡對PWM的輸出信號濾波，并把它轉換成模擬信號。這個方法的缺點是，控制算法要求濾波器輸出中沒有紋波和相位誤差。此外使用濾波器也增加了設計的成本。另外一個方法是直接把PWM的輸出信號送到微控制器上的輸入采集外設引腳上（圖3）。這一外設在輸入信號處于上升沿和下降沿（或兩者）時采集數字時基信號的脈沖數，并用應用軟件進行處理，從而計算出輸入信號的周期、頻率或者占空比。

　　當控制器上有“輸入采集”引腳時，我們也可以在設計中加上隔離式模擬放大器，通過數字轉換來得到相電流。用V/F或者電壓/PWM轉換器把模擬信號轉換成數字信號。模擬信號可用數字式光耦合器通過隔離電路傳到控制器。與模擬隔離方案相比，V/F轉換器+光耦合器方案成本較低。

　　測量相電流的第三個方法是，在電源級電路的每個低端晶體管源極串聯一只感應電阻器（圖4），用差動放大器來放大電阻器兩端的電壓，然后送入A/D轉換器的輸入端。在使用這個方法時，A/D轉換器必須與控制晶體管的PWM信號同步。為了得到精確的電流信號，應當在電源輸出級中的低端晶體管開通時進行測量。在使用分流電阻進行測量時，內建有A/D同步邏輯電路的控制器很有用。

　　進行軟件開發

　　用傳統的仿真器來開發馬達控制軟件比較困難。使用仿真器時，設計人員可以在任何時刻停止應用軟件的執行，以便查看寄存器值以及代碼執行情況。但是，在某些時刻停止軟件執行其實會對馬達和電源電路造成極大影響。

　　在停止軟件執行時，PWM 控制值不再更新，馬達和電源輸出級電路中便會出現較大的直流電流。為了解決這一問題，應該通過仿真器將PWM信號置于不會損壞負載的狀態。例如，dsPIC30F系列PWM外設部件可在仿真器停止時將所有PWM輸出引腳設置在低電平狀態。這時所有輸出器件都關斷，馬達慢慢停下來。在產品開發過程中，加入額外的硬件保護功能十分有用。這些功能可在產品開發過程出現軟件錯誤時保護硬件不受損壞，并可在正式生產時去除以節省成本。這些功能包括限流、總線電壓過載保護及在高、低端晶體管同時導通時關機。

　　本文小結

　　在選定某種控制器后，我們便要選擇相應的元件來連接控制器和電源輸出級電路。通用MCU能夠滿足算法需求，但是它可能不具備與馬達控制直接相連的外設部件。我們必須在接口電路中增加相應硬件，以保護輸出器件或處理反饋信號。

　　作者：Steve Bowling

　　Microchip Technology Inc.

　　首席應用工程師