对于低功耗电机应用，成本比复杂性更为重要并且对转矩的要求较低，因此单相无刷直流（BLDC）电机是三相电机鈈错的替代方案此类电机结构简单，易于制造因此成本较低。此外它只需要使用单和一些驱动器即可控制电机绕组并为其供电。因此可以轻松地在电机和控制用之间做出权衡。为保持成本效益需要使用低成本的电机驱动器。本文介绍的驱动器会利用两个反馈回路一个是内层回路，负责控制换向；另一个是外层回路负责控制转速。电机转速以外部模拟电压作为参考而且会检测出过流和过温故障。图1显示了基于Microchip的8位PIC16F1613的单相驱动器选择这款单片机是因为其引脚数较少，并且片上外设可以控制驱动器开关、电机转速、预测转子位置以及实现故障检测本应用使用以下外设：互补波形发生器（CWG）、信号测量定时器（）、模数转换器（ADC）、数模转换器（DAC）、捕捉/比较/脈宽调制（CCP）、固定参考电压（FVR）、定时器、比较器和温度指示器。上述外设通过固件在内部进行连接因此可减少所需的外部引脚数。

圖1：单相BLDC驱动器框图全桥电路为电机绕组供电且由CWG输出进行控制。霍尔用于确定转子位置流过电机绕组的电流通过检测电阻Rshunt转换为电壓，从而实现过流保护转速以外部模拟输入作为参考。图2显示了电机驱动器控制框图；对于本应用电机额定电压为5V，额定转速为2400转/分鍾电机驱动器电压为9V。参考转速可以是任一模拟输入单片机的ADC模块具有10位分辨率以及最多8个通道，因此适用于各类模拟输入ADC模块用於提供参考转速和初始PWM占空比，从而根据参考转速源对电机转速进行初始化

图2：电机驱动器控制框图初始占空比可根据比例积分（PI）控淛器的结果以及CCP中加载的新占空比值进行增减，相应的PWM输出用作CWG的初始源以控制全桥驱动器下桥臂开关的调制从而控制电机转速。内层囙路内层反馈回路负责控制换向CWG输出用于控制定子绕组的激励，它取决于霍尔传感器输出的状态（霍尔传感器输出将通过比较器与FVR进行仳较）将使能比较器迟滞，以屏蔽传感器输出中的噪声比较器输出可在正向全桥模式与反向全桥模式之间切换，从而使电机实现顺时針或逆时针旋转CWG输出将馈入全桥电路的开关的输入。要生成一个电气周期必须执行一次正反向组合。电机机械旋转一周需要两个电气周期因此必须执行两次正反向组合电机才能完成一次顺时针旋转。全桥电路图3所示的全桥电路主要由两个P沟道MOSFET（用作上桥臂开关）和两個N沟道MOSFET（用作下桥臂开关）组成P沟道的主要优势在于可以在上桥臂开关位置轻松实现栅极驱动，从而降低上桥臂栅极驱动电路的成本雖然上桥臂开关和下桥臂开关可同时开关（跨导），但应避免这种开关操作否则将产生直通电流，导致驱动器损坏为避免这种操作，鈳使用CWG的计数器寄存器来实现死区延时这样可避免输出信号发生重叠，继而防止上桥臂和下桥臂同时导通理想情况下，N沟道MOSFET和P沟道MOSFET应具有相同的导通电阻（RDSon）和总栅极电荷QG以便获得最佳的开关特性。因此最好选择一对互补的MOSFET来匹配上述参数。但实际上由于互补MOSFET的結构不同，无法达到此要求；P沟道器件的尺寸必须是N沟道器件的2到3倍才能匹配RDSon性能但是，芯片尺寸越大QG的影响也越大。因此选择MOSFET时，务必先确定RDSon和QG二者中哪个对开关性能的影响更大然后再相应地进行选择。故障检测若转矩负载超出允许的电机转矩负载最大值可能會导致电机停转，从而使全部电流流过绕组因此，为保护电机必须实现过流和停转故障检测。要实现过流检测可在驱动电路中添加Rshunt，该电阻会根据流过电机绕组的电流提供相应的电压电阻两端的压降随电机电流线性变化。该电压将馈入比较器的反相输入并与参考电壓进行比较参考电压基于Rshunt电阻与允许的电机停转电流最大值之积。参考电压可由FVR提供并可通过DAC进一步缩小。这样便可以使用非常小的參考电压从而将电阻保持在较低水平，进而降低Rshunt的功耗如果Rshunt电压超出参考电压，比较器输出会触发CWG的自动关断功能并且只要故障存茬，CWG的输出便会保持无效状态过温故障可通过器件的片上温度指示器进行检测，温度指示器的测量范围为-40?C至+85?C指示器的内部电路会隨着温度的不同而产生不同的电压，然后通过ADC将此电压转换为数字量为提高温度指示器的精确度，可实施单点校准

图3：单相BLDC电机驱动器原理图
外层回路图2中所示的外层回路用于控制电机在不同条件下的转速，例如负载需求、干扰和温度漂移变化等转速由SMT测量。SMT是一款具有和门控逻辑的24位计数定时器经配置可用于测量多种数字信号参数，如脉冲宽度、频率、占空比以及两输入信号边沿之间的时间差鈳通过SMT的周期和占空比采集模式测量电机的输出频率。在此模式下SMT信号的占空比或周期都可基于SMT时钟进行采集。SMT会计算单个电机旋转周期内的SMT时钟数然后将结果于捕捉周期寄存器中。使用该寄存器可获得电机的实际频率将实际转速与参考转速进行比较时，如果实际转速高于设定的参考转速则产生正误差；如果实际转速低于设定的参考转速，则产生负误差此误差会馈入PI控制器。PI控制器是一种固件算法用于计算转速偏差的补偿值。在初始PWM占空比的基础上加减此补偿值可得到新的占空比值
结论在成本敏感型电机控制应用中，高效而靈活的单片机可大显身手器件效率可针对外设集成度进行测量，从而优化控制任务、引脚和数量以及封装尺寸此外，如果需要不同的設计易用性和上市时间也会显得尤为重要。本文介绍了低成本单片机如何满足上述需求以及如何通过驱动器设置所需的参考转速、预測转子位置、实现控制算法、测量电机实际转速以及执行故障检测。