基于FRDM-KE04Z和Tower Board的BLDC电机正弦波控制

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1 Freescale Semiconductor Document Number: AN4869 Application Note Rev. 0, 03/2014 基于 FRDM-KE04Z 和 Tower Board 的 BLDC 电机正弦波控制作者 :Liu Zhen 1 简介本应用手册介绍了基于 FRDM_KE04Z 控制板的带霍尔传感器三相无刷直流电机的正弦波控制该设计充分利用了飞思卡尔 KE04Z 的外设资源, 在电机控制上可以实现良好的控制效果本应用是基于霍尔传感器检测转子位置而设计的转速单闭环控制系统该应用可以作为飞思卡尔最新 Kinetis 微控制器和三相低压电机驱动板的带霍尔 BLDC 电机控制的一个范例这里也介绍了一种使用 Kinetis 实现 BLDC 电机正弦波的控制技术电机控制理论系统架构硬件设计软件实现都在本应用中得到了一一介绍此外还包含了可调试工具 FreeMASTER 的使用以及系统的搭建和演示 Contents 1 简介 1 2 KE04 系列的优势和特性 2 3 BLDC 电机控制理论 2 4 系统设计理念 4 5 软件设计 15 6 Demo 的搭建和使用 23 7 图形结果 27 8 参考文献 29 Freescale Semiconductor, Inc., All rights reserved.

2 KE04 系列的优势和特性系列中可用的片上模块包括下列功能 : Cortex -M0+ 内核在电压范围 2.7 5.

2 2 KE04 系列的优势和特性系列中可用的片上模块包括下列功能 : Cortex -M0+ 内核在电压范围 V 内高达 24MHz 的 CPU 主频 8 KB FLASH,1 KB RAM 芯片尺寸小, 共有 24 个引脚, 价格低具有 12 通道 12 位数据的 AD 转换器模拟比较器 2 个通道的 PIT 模块,8 个通道的 FlexTimer 模块 1 个 8 位数据的 SPI 模块,1 个 SCI/UART 模块以及 1 个 I2C 模块高达 8 个 KBI 中断引脚 3 BLDC 电机控制理论无刷直流电机 (BLDC 电机 ) 是由具有类似于三相感应电机的定子和安装了永磁体的转子组成的电机上没有机械换相器, 换相是在程序中实现的, 因此也被称作电子换相电机转子上的永磁体通常是由永磁材料制成的 BLDC 电机的典型横截面如图 1 所示三相定子绕组嵌入在沟槽中 ( 分布绕组 ) 或者绕到磁极 ( 集中绕组 ) 上因为气隙磁场是由永磁体产生的, 磁场大小是恒定的图 1 BLDC 电机横截面在本应用中霍尔传感器检测转子位置, 在绕组中通以如图 2 所示的波形电压来驱动 BLDC 电机该波形是通过在空间矢量调制技术 (SVPWM) 中插入零矢量 O 000 而获得的, 如图 3 所示 2 Freescale Semiconductor

3 该控制技术是以三相逆变桥为控制对象的, 三相定子绕组上施加如图 2 所示电压, 旋转磁场是圆形的, 转矩脉动较方波小占空比系数 A 相 B 相 C 相图 2 三相 BLDC 电机定子绕组电压波形中心对齐 PWM 图 3 加入了零矢量 O000 的中心对齐 SVPWM 波形图 4 为本应用设计中电机驱动的功率电路, 六个功率开关管工作在互补模式下 Freescale Semiconductor 3

4 图 4 三相功率电路本应用手册中将不再详细介绍系统硬件, 更多关于硬件的信息请参考应用手册 AN 系统设计理念 4.1 系统说明本应用设计满足以下控制性能 : 相电流波形为正弦波, 转矩脉动小, 噪音小相比较于通用的 SPWM 控制技术, 本应用中直流母线电压利用率提高了 15.47% 相对于七段式的 SVPWM 技术, 三相功率电路的开关损耗减小了 1/3 控制技术包含 : 转速单闭环控制过压欠压过流等故障保护转子不需要对齐, 可从任何位置平稳启动开环方波启动支持正向反向两个方向旋转转速范围 :300 rpm 3000 rpm 4 Freescale Semiconductor

5 FreeMASTER 软件控制界面 ( 电机启动 / 停止, 转速设置 ) 4.2 系统架构和转子位置检测如下图 5 所示, 系统包含以下硬件结构 : FRDM KE04Z 核心板 TWR MC FRDMKE02Z 转接板 TWR MC LV3PH 驱动板 TWR SER 串口转接板 USB 转串口线 HL-340 Tower Elevator 带霍尔传感器的 BLDC( 分布绕组 ) 电机供电电源 24V DC,3.75A FRDM KE04Z 中央控制板和 TWR MC FRDMKE02Z 转接板的配置信息将在第六节中详细介绍 Freescale Semiconductor 5

TWR - MC - FRDMKE02Z FRDM-KE04Z HL340 TWR Elevator TWR SER BLDC 电机 TWR MC LV3PH Hall 接口图 5 MKE04Z8VFK4 Demo 系统框图如图 6 所示系统是转速单闭环控制, 根据反馈的霍尔信号和查表来确定输出到三相逆变桥的 PWM 占空比电机的期望转速通过 FreeMASTER 设置,

6 TWR - MC - FRDMKE02Z FRDM-KE04Z HL340 TWR Elevator TWR SER BLDC 电机 TWR MC LV3PH Hall 接口图 5 MKE04Z8VFK4 Demo 系统框图如图 6 所示系统是转速单闭环控制, 根据反馈的霍尔信号和查表来确定输出到三相逆变桥的 PWM 占空比电机的期望转速通过 FreeMASTER 设置, 同时检测过压和欠压等故障系统的后台程序中, 只有 FreeMASTER 轮询函数的调用在 10 ms 的定时中断 (RTC_ISR) 内, 功能包括状态机的运行, 直流母线电压 AD 转换的轮询, 过压欠压等故障的检测和闭环转速 PI 调节等在 125us 的定时中断 (PIT1_ISR) 内, 功能包含 delta 角度值的计算三相相电压占空比的计算和占空比的寄存器赋值 Hall 输入捕捉中断用到 FTM0 和 KBI 模块, 其功能包括开环下双极性 PWM 的换相, 闭环下 delta 角度值的清零等 SPI 模块用于驱动器 MC33937 的配置 SCI 模块用于 FreeMASTER 的串口通信 6 Freescale Semiconductor

7 图 6 控制系统架构 4.3 BLDC 正弦控制霍尔信号角度值图 7 为本应用中霍尔信号相对应的定子磁链角度值红色圆点为霍尔信号的变化点, 蓝色圆点为霍尔传感器的安装位置 Freescale Semiconductor 7

8 A 霍尔 A Y Z 96 霍尔 B 288 C B 32 X 352 霍尔 C 图 7 正弦波控制霍尔信号对应角度关系图为电机高效运行, 励磁磁链和转矩磁链之间的角度需要尽可能的保持在 90 度定子磁链角度根据霍尔传感器检测到的转子位置和表 1 中所示的对应角度信息进行调节霍尔传感器在转子旋转一个电周期产生六个有效信号, 每个有效信号对应于定子磁链的一个电角度更多关于定子磁链角度的说明将会在下节马鞍波形表中介绍表 1 霍尔信号对应转子角度值顺时针霍尔信号角度逆时针霍尔信号角度 Freescale Semiconductor

9 马鞍波形表如图 2 所示波形, 本应用中用到表 SinusoidalWaveTable[384] 为了角度计算的方便, 波形周期设为 384 图 8 所示的波形中, 有三分之一周期的数据为零, 这就很容易理解相对于七段式的 SVPWM 三相逆变器的开关损耗减小了三分之一 static unsigned char SinusoidalWaveTable[384]={ } 127,131,135,138,142,145,149,152,155,159,162,165,168,171,174,177,180,183,186,189,192,194,197,200, 202,205,207,210, 212,214,217,219,221,223,225,227,229,231,232,234,236,237,239,240,242,243,244,245, 247,248,249,250,250,251,252,253,253,254,254,255,255,255,255,255,255,255,255,255,255,255,254,254, 253,253,252,252,251,250,249,248,247,246,245,244,242,241,240,238,237,235,233,232,230,228,226,224, 222,222,225,226,228,230,232,234,235,237,238,240,241,243,244,245,246,247,248,249,250,251,252,252, 253,254,254,254,255,255,255,255,255,255,255,255,255,255,254,254,254,253,252,252,251,250,249,248, 247,246,245,244,243,241,240,238,237,235,234,232,230,228,227,225,223,220,218,216,214,212,209,207, 204,202,199,197,194,191,188,185,183,180,177,174,171,167,164,161,158,154,151,148,144,141,137,134, 130,127,123,119,116,112,108,104,101, 97, 93, 89, 85, 81, 77, 73, 69, 65, 61, 57, 53, 49, 45, 41, 36, 32, 28, 24, 20, 16, 12, 7, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 2, 6, 10, 15, 19, 23, 27, 31, 35, 39, 44, 48, 52, 56, 60, 64, 68, 72, 76, 80, 84, 88, 92, 96, 99,103,107,111,115,118,121, 图 8 软件中使用的马鞍波形图 9 为本应用中霍尔信号和三相相电压关系示意图, 考虑到所创建的正弦波形表 SinusoidalWaveTable[384], 在顺时针旋转时霍尔信号的六个状态将分别对应于 32 o, 96 o, 160 o, 224 o, 288 o 和 352 o 角度值, 上文表 1 中已介绍到 Freescale Semiconductor 9

10 图 9 相电压波形与霍尔信号状态关系图 (CW) 10 Freescale Semiconductor

11 4.3.3 转速计算转速 PI 调节器及下面介绍的 delta 角度计算都需要电机的实时转速值在带 hall 的电机驱动应用中, 通常用连续两次霍尔信号之间的时间作为转速计算的参考 Hall 传感器在一个电周期内只有 6 个有效信号, 连续六次时间和是一个电周期, 电周期和机械周期之间是一个极对数的倍数关系在转速稳定的情况下, 由于霍尔传感器在定子安装位置上存在一定的误差, 连续 6 次的时间肯定有轻微的不同为了克服这样的机械误差, 在本设计中转速在 Hall_C 的中断程序中进行计算, 霍尔 C 的两次中断之间时间间隔为电周期的一半本应用中所用电机极对数是 2, 定标转速为 5000 rpm, 转速计算方法为 T 法测速转速计算公式 : speed f ( motorpairs 6) / 3 t max Rpm f (2 6) / 3 t 5000 公式 1 这里 f [Hz]:CPU 的时钟频率 t : 霍尔 C 两个连续边沿信号的时间间隔 delta 角度计算在正弦波控制模式下, 用来控制电机的角度值必须是连续的, 如所提, 通过霍尔信号仅能得到 6 个定子磁链角度信息, 其他定子磁链角度无法直接获得在本应用中, 两个霍尔信号之间的间隔时间内, 利用转速可以计算 delta 角度值, deltaangle speed t, 那么定子磁链的角度值可由当前霍尔状态对应的定子磁链角度值加或减 delta 角度值获得, mtrangle deltaangle,delta 角度值计算原理如图 10 所示,delta 角度值计算公式如公式 2 所示 : deltaangle speed max Rpm tabledotsno motorpairs PITfrequency speed speed 4096 speed 12 公式 2 Freescale Semiconductor 11

12 这里 : 电周期为 384,delta 角度值计算避免了除法, 节省了 CPU 资源霍尔信变化时计算转速图 10 转子变化角度计算电机启动在电机启动之前, 转子的初始位置通过读取当前霍尔信号值来获得而此时电机转速为零因此在电机启动阶段很难直接使用正弦波控制方式启动在本应用中, 采用六步方波控制技术来启动电机,PWM 调制方式为双极性, 占空比为 20% 图 11 所示表 2 列出了电机顺时针旋转时的相关寄存器配置信息霍尔信号霍尔传感器 A B C 表 2 CW 方向换相 OUTMASK INVCTRL A+, B- 0x0030 0x A+, C- 0x000C 0x B+, C- 0x0003 0x B+, A- 0x0030 0x C+, A- 0x000C 0x C+, B- 0x0003 0x0002 在电机成功启动且转速近似稳定后由方波切换到正弦波, 在本应用中, 电机在启动后运行一个机械周期进行切换在由方波控制切换到正弦波控制时, 占空比需要做微调, 因为这两种控制在星 12 Freescale Semiconductor

13 形连接下产生的磁链大小不同在切换点处, 正弦波控制模式的占空比应该设为方波控制下占空比的 2 / 3 倍图 11 双极性 PWM 的六步方波控制技术超前角计算如上文所述, 霍尔传感器的输出反映转子位置信息的变化, 根据霍尔信号生成的相电压与反电动势同相位由于电机是感性负载, 相电流降滞后于相电压因此, 转子磁链和定子磁链之间的实际角度并不是 90 度, 转速越高, 误差越大因此需要调整相电压相位来使转子磁链和定子磁链之间尽可能的保持 90 度, 这个调整的角度值称为超前角, 见图 12 相电压相电流转子定子磁超前角超前角图 12 相电压与相电流之间的超前角 Freescale Semiconductor 13

14 4.3.7 电机本应用中永磁电机的定子绕组是分布式的, 电机的规格参数如表 3 所示表 3 电机相关参数特性符号最小值典型值最大值单位参考绕组电压 V t Jm V Vt rpm 转矩常数 K t Nm/A 电压常数 K e V/RPM 终端电阻 R t 1.46 Ω 绕组电感 L d mh L q mh 持续电流 I cs A 极对数 2 额定电流 C 14 Freescale Semiconductor

角度值限幅和角度计算 FTM2 pwm3pps 启动状态运行状态故障状态后台循环

15 5 软件设计 5.1 流程图软件程序流程图如图 13 所示主循环 MCU 复位 125us 定时周期 MCU 初始化 PIT0ch1 中断服务程序外设初始化全局变量及常量初始化根据转速计算 delta 角度值 BLDC 控制状态机初始状态停止状态 delta 角度值限幅和角度计算 FTM2 pwm3pps 启动状态运行状态故障状态后台循环查表和三相相电压占空比计算关闭 PWM 输出设置占空比故障标志置 1 FreeMASTER 轮询中断返回中断返回 Freescale Semiconductor 15

开环霍尔信号计数值加 1 使能 PIT0 中断 Delta 角度值清零故障检测双极性 PWM 六步控制霍尔 C 中断内计算电机转速中断返回中断返回图 13 软件主要程序流程图 5.

16 FTM0 和 KBI1 输入捕捉 10ms 定时中断霍尔中断服务程序 RTC 中断服务程序 KBI 中断中记录霍尔间隔时间状态机 10ms 时基读取霍尔信号值启动 AD 转换读取电压转换结果电压滤波根据霍尔信号矫正转子角度 BLDC 进入 RUN 状态母线电压 AD 转换结果校准转速 PI 调节 BLDC 为 START 状态? 开环霍尔信号计数值加 1 使能 PIT0 中断 Delta 角度值清零故障检测双极性 PWM 六步控制霍尔 C 中断内计算电机转速中断返回中断返回图 13 软件主要程序流程图 5.2 状态机状态机如图 14 所示本应用中电机的启动和停止命令是由 FreeMASTER 中所设置的转速值为非零和零所决定的, 同样电机的期望转速也是由 FreeMASTER 软件设置的任何时候在按下复位按键或转速设置为零时, 电机都将会立刻停转所有处理程序的执行都是由该状态机所控制的 16 Freescale Semiconductor

17 BLDC MCU 初始化 appfaultflags!=0 BLDC 故障状态完成 appcontrolflags.bits.faultclear appfaultflags!=0 故障引脚 ( 过流 ) BLDC 硬件及变量初始化过压或者欠压 BLDC 故障 ISR 完成 velocitydesire = 0 BLDC 运行状态 BLDC 停止状态 OpenLoopHallCnt > thresholdopenlooptocloseloop BLDC 启动状态 velocitydesire!= 0 完成 BLDC 转子位置检测状态图 14 BLDC 电机控制状态框图 5.3 霍尔输入捕捉中断服务程序本应用中, 不管是启动状态下的六步方波控制还是运行状态下的正弦波控制, 霍尔传感器都起着重要的作用电机状态从 START 到 RUN 的切换时刻取决于变量 openloophallcnt 在软件中该阀值设为 12, 代表一个机械周期六步方波控制技术利用 FTM2 模块的 INVCTRL 和 OUTMASK 寄存器来启动电机, 正转代码如下 : Freescale Semiconductor 17

18 openloophallcnt++; PWMState = bldccommutationtablecomp[motorposition]; if (PWMState.swap & 1) { FTM2->INVCTRL = FTM_INVCTRL_INV0EN_MASK; } else { FTM2->INVCTRL &= ~FTM_INVCTRL_INV0EN_MASK; } if (PWMState.swap & 2) { FTM2->INVCTRL = FTM_INVCTRL_INV1EN_MASK; } else { FTM2->INVCTRL &= ~FTM_INVCTRL_INV1EN_MASK;} if (PWMState.swap & 4) { FTM2->INVCTRL = FTM_INVCTRL_INV2EN_MASK; } else { FTM2->INVCTRL &= ~FTM_INVCTRL_INV2EN_MASK;} FTM2->OUTMASK = PWMState.mask; // Update FTM registers FTM2->SYNC = FTM_SYNC_REINIT_MASK; // Update FTM registers 在每个霍尔中断服务程序中, 转子的位置需要通过直接读取三个霍尔信号实时更新下面代码为霍尔 C 中断服务程序, 同理霍尔 A 和霍尔 B 中断服务程序类似 hallc = GPIOA->PDIR; hallc = ((hallc >>3) >> 8) >> 8;//PTC3 hallc = hallc & 1;// status of hallc bldcinthallflags.byte = (char)( halla hallb hallc); motorposition = (bldcinthallflags.byte & 0x07); 电机的转速值也是在中断服务程序中计算的, 但只在霍尔 C 的中断程序中计算 FTM0 模块用来保存计算转速所需要的时间信息 CalTimePrevious = CalTime; CalTime = (tu16)ftm0->cnt; TimeInterval = CalTime - CalTimePrevious; CalculationSpeed(); //calculate half electronic cycle time 这里需要说明两点, 首先由于单片机外设资源和引脚数量的限制,KBI 模块也用来捕捉其中一路霍尔 (HallC) 的输入信号, 由于 KE04 中 KBI 模块的特性, 在 HallC 中断服务程序中需要 KBI1->ES 取反才能正确检测到下一个边沿信号另外, 电机状态 START 切换到 RUN 时, 上面提到的在六步方波启动中使用到的 INVCTRL 和 OUTMASK 寄存器清零, 保证电机在正弦波控制模式下正确运行 18 Freescale Semiconductor

19 5.4 PIT delta 角度估算中断服务程序本应用中转子的 delta 角度在 PITch1 的 125us 定时中断中计算和更新的根据节的介绍, 转子角度和电机的转速成比例关系变量 mtrangle 用来表示磁链的实时角度当顺时针旋转时, 代码如下 : deltaangle = F32Add(deltaAngle,F32Abs(velocityAct)); if (deltaangle >= DELTANGLE_MAX) //limit deltaangle range into { [0,64] deltaangle = DELTANGLE_MAX; } mtrangle = HallTableCW[motorPosition]; mtrangle += (tu16)((deltaangle) >> 12); mtrangle += (tu16)advanceangle; if (mtrangle >= 384) { mtrangle -= 384; } 当逆时针旋转时, 代码如下 : deltaangle = F32Add(deltaAngle,F32Abs(velocityAct)); if (deltaangle >= DELTANGLE_MAX) //limit deltaangle range into { [0,64] deltaangle = DELTANGLE_MAX; } mtrangle = HallTableCCW[motorPosition]; mtrangle -= (tu16)((deltaangle) >> 12); mtrangle += (tu16)advanceangle; if (mtrangle >= 384) { mtrangle = 384; } 在计算得到磁链角度 mtrangle 之后,A B C 三相占空比计算代码如下 : dutycycleu16a = (Frac16)(((Frac16)dutyCycleU16 * (Frac16)SinusoidalWaveTable[mtrAngle]) >> 8); if (mtrangle < 128) { dutycycleu16b = (Frac16)(((Frac16)dutyCycleU16 * (Frac16)SinusoidalWaveTable[mtrAngle + 256]) >> 8); } else { Freescale Semiconductor 19

20 dutycycleu16b = (Frac16)(((Frac16)dutyCycleU16 * (Frac16)SinusoidalWaveTable[mtrAngle - 128]) >> 8); } if (mtrangle >= 256) { dutycycleu16c = (Frac16)(((Frac16)dutyCycleU16 * (Frac16)SinusoidalWaveTable[mtrAngle -256]) >> 8); } else { dutycycleu16c = (Frac16)(((Frac16)dutyCycleU16 * (Frac16)SinusoidalWaveTable[mtrAngle + 128]) >> 8); } 5.5 配置 MOSFET 驱动器配置在使用 MC33937 前, 该预驱动器通过 SPI 模块进行配置该预驱动器的配置需如下两个文件 : H 文件 spi_comm.h: 包含了 MC33937 驱动器所定义的配置和状态常数 C 文件 spi_comm.c: 包含了 SPI 通信函数以及进行 MC33937 驱动器配置的调用函数 PWM 生成以及定时器 KE04Z64VQH2 微控制器的 FTM 模块拥有两个子模块 FTM2 六路通道产生 PWM 信号驱动 MC33937,FTM0 两路通道配置为输入捕捉功能用来捕捉 Hall 信号 PWM 信号通过预驱动器功率放大后驱动三相逆变桥的 MOSFET FTM2 模块初始化配置如下 : FTM2 系统时钟源 FTM2->SC = FTM_SC_CLKS(1); 产生频率为 16kHz 的 PWM 信号周期寄存器 Modulo 设为 1500,PWM 的分辨率为 0.067% FTM2->MOD = PWM_MODULO; (#define PWM_MODULO 1500) PWM 采用组合并互补模式, 插入 1 s 的死区时间 FTM2->COMBINE = FTM_COMBINE_FAULTEN0_MASK FTM_COMBINE_SYNCEN0_MASK FTM_COMBINE_DTEN0_MASK FTM_COMBINE_COMP0_MASK FTM_COMBINE_COMBINE0_MASK 20 Freescale Semiconductor

21 FTM_COMBINE_FAULTEN1_MASK FTM_COMBINE_SYNCEN1_MASK FTM_COMBINE_DTEN1_MASK FTM_COMBINE_COMP1_MASK FTM_COMBINE_COMBINE1_MASK FTM_COMBINE_FAULTEN2_MASK FTM_COMBINE_SYNCEN2_MASK FTM_COMBINE_DTEN2_MASK FTM_COMBINE_COMP2_MASK FTM_COMBINE_COMBINE2_MASK; FTM2->DEADTIME = FTM_PWM_DEAD_TIME; ( #define FTM_PWM_DEAD_TIME 24 ) 控制上桥臂 MOSFETs 的 PWM 信号极性为 low 控制下桥臂 MOSFETs 的 PWM 信号极性为 high FTM2->POL = FTM2POL_INIT ; ( #define FTM2POL_INIT FTM_POL_POL0_MASK FTM_POL_POL2_MASK FTM_POL_POL4_MASK ) FTM2 Fault 故障输入引脚 1 上的高电平信号表明故障发生检测到故障信号后,MCU 端 PWM 信号被设置为高电平检测到故障信号后,MCU 端 PWM 信号被设置为低电平禁止故障输入滤波器 FTM2->FLTCTRL = FTM_FLTCTRL_FAULT1EN_MASK; FTM2->MODE = FTM_MODE_FAULTM(2) FTM_MODE_FAULTIE_MASK; BLDC 电机控制中使用 RTC 模块和一个 PIT 模块 (PIT_Channel1) 来产生定时的周期中断, 其中的一个用来作为转速闭环调用的时基, 另一个用来进行定时计算转子角度值 RTC 运行频率为 khz RTC->SC = RTC_SC_RTCLKS(3) RTC_SC_RTCPS(1); 产生 10 ms 定时中断 RTC->MOD = RTC_MOD_MOD(0x753-0x01); PTI 24 MHz 系统时钟频率 PIT->MCR = 0x00; 向上计数直到周期值并重新加载 Freescale Semiconductor 21

22 PIT->CHANNEL[1].TCTRL = 0x03; 周期为 0xBB8 的 3ms 定时中断 PIT->CHANNEL[1].LDVAL = (0xBB8-0x01); 霍尔信号捕捉本应用中,FTM0 的两个通道和 KBI1 模块的 5 号引脚用来捕捉霍尔传感器的输出信号, 上述两个外设模块配置如下 : FTM0 系统时钟 128 分频 FTM0->SC = FTM_SC_CLKS(1) FTM_SC_PS(7); 上升沿和下降沿输入捕捉使能 FTM0->CONTROLS[0].CnSC = FTM_CnSC_ELSA_MASK FTM_CnSC_ELSB_MASK; FTM0->CONTROLS[1].CnSC = FTM_CnSC_ELSA_MASK FTM_CnSC_ELSB_MASK; FTM0 的两路通道配置为 PTB2 和 PTB3 SIM->PINSEL = SIM_PINSEL_FTM0PS0_MASK SIM_PINSEL_FTM0PS1_MASK; KBI1 中断不使能 KBI1->SC &= ~KBI_SC_KBIE_MASK; 上拉使能 PORT->PUEL = PORT_PUEL_PTCPE3_MASK; 中断使能 KBI1->PE = 0x20; 中断标志位清除 KBI1->SC = KBI_SC_KBACK_MASK; AD 转换软件中 AD 转换是在 RTC10ms 中断服务程序中采用轮询方式实现的, 用于直流母线电压的 AD 转换, 初始化配置如下 : 单次转换 ADC->SC1 &= ~ADCADC_SC1_ADCO_MASK; 22 Freescale Semiconductor

23 转换结果 12 位,AD 转换时钟 3 MHz ADC->SC3 = ADC_SC3_MODE(2) ADC_SC3_ADIV(3); 软件触发 ADC->SC2 &= ~ADC_SC2_ADTRG_MASK; 使能 AD10 ADC->APCTL1 = 0x4000; 6 Demo 的搭建和使用如下操作,demo 就可以搭建起来使用了 6.1 硬件安装系统的硬件如图 6 所示, 使用之前需完成如下操作 : 1. 供电电源插头插入到低压电机功率板接口 J1 2. 用 USB 2.0 数据线连接个人 PC 和 KE04Z 中央控制板上的接口 J6 3. 确认 KE04Z 中央控制板上的跳线和电容电阻如下操作 o 为了调试方便 J9,J10,J5 必须短接 o 去掉控制板上以下电阻 :R15, R16, R19, R31, R37, R40, R43, R46, R51, R52, R53, R66, R67, R70, R71 以及 R75 o 添加电阻 R4, R17, R18, R39, R42, R45, R47, R50, R61, R64, R69, R72 以及 R73 o 将电阻 R6, R7 以及 R3 换成零欧姆阻值 o 去掉电容 C5, C6 以及 C2 并添加电容 C3(2200pF). Freescale Semiconductor 23

24 控制板的详细修改信息见表 4 引脚名称 PTA0 功能复用 SWD_CLK 转接板引脚表 4 KE04Z 控制板的硬件修改塔式板两侧引脚三相低压电机控制板信号 PTA1 IO J27_1 B62 DRV_OC 删除 R51, 添加 R50 PTA2 UART0_RX_2ND J26_13 A43 ELE_RXD(TWR_SER) 添加 R45, 添加 R47 PTA3 UART0_TX_2ND J27_9 A44 ELE_TXD(TWR_SER) 添加 R42, 添加 R39 PTA4 SWD_DIO PTA5 RESET J9_6 A63 RESET PTA6 SPI0_SCK_2ND J25_6 B48 SCLK 备注更改 R7 为 0 Ω, 删除 C6 PTA7 SPI0_MOSI_2ND J25_18 B45 MOSI 更改 R6 0 Ω, 删除 C5 PTB0 SPI0_SS_2ND J26_5 B47 SS 删除 R53 PTB1 SPI0_MISO_2ND J26_3 B44 MISO 删除 R52 PTB2 FTM0_CH0_2ND J26_15 A34 ENC_PHASE_A 删除 R66 和 R67 PTB3 FTM0_CH1_2ND J25_20 A33 ENC_PHASE_B 删除 R75 和 R43 PTB4 FTM2_CH4 J26_7 B40 PWM_CT 删除 R15 PTB5 FTM2_CH5 J26_9 B39 PWM_CB 删除 R16, 添加 R17 PTB6 IO B22 删除 R31, 添加 R73 PTB7 IO J27_5 B52 DRV_EN 删除 R71, 添加 R72 PTC0 FTM2_CH0 J2_4 A40 PWM_AT 删除 R70, 添加 R69 PTC1 FTM2_CH1 J2_3 A39 PWM_AB 删除 R19, 添加 R18 PTC2 ADC0_SE10 J25_10 B30 V_SENSE_DCB 添加 R4 和 C3 PTC3 KBI1_IN5 J25_8 B34 END_INDEX 更改 R3 为 0 Ω, 删除 C2 PTC4 FTM2_CH2 J1_8 A38 PWM_BT 添加 R61, 删除 R40 PTC5 FTM2_CH3 J26_11 A37 PWM_BB 添加 R64, 删除 R46 4. 确认转接板 (TWR - MC - FRDMKE02Z) 上插针 J31, J32, J25, J26 以及 J27 的连接如下操作 o J31,J32( 引脚 2 和 3 短接 ) 代表从 TowerBoard 上获得 3.3V 和 5V 供电电压 o 去掉板上 J25 的跳冒 1 和跳冒 2 o 将 J26 的 3 号引脚连到 J27 的 14 号引脚, 将 J26 的 5 号引脚连到 J27 的 10 号引脚, 将 J26 的 13 号引脚连到 J27 的 16 号引脚, 将 J27 的 9 号引脚连到 J26 的 2 号引脚, 将 J25 的 6 号引脚 24 Freescale Semiconductor

连到 J27 的 8 号引脚, 将 J25 的 8 号引脚连到 J26 的 14 号引脚, 将 J25 的 10 号引脚连到 J25 的 17 号引脚, 将 J25 的 18 号引脚连到 J27 的 12 号引脚详细的修改信息见表 5 表 5 转接板跳线配置 J26_13 <---> J27_16 J27_9 <---> J26_2 J25_6 <---> J27_8 J25_18 <--->

25 连到 J27 的 8 号引脚, 将 J25 的 8 号引脚连到 J26 的 14 号引脚, 将 J25 的 10 号引脚连到 J25 的 17 号引脚, 将 J25 的 18 号引脚连到 J27 的 12 号引脚详细的修改信息见表 5 表 5 转接板跳线配置 J26_13 <---> J27_16 J27_9 <---> J26_2 J25_6 <---> J27_8 J25_18 <---> J27_12 J26_5 <---> J27_10 J26_3 <---> J27_14 J25_10 <---> J25_17 J25_8 <---> J26_14 J26_11 <---> J26_12 图 15 为 KE024Z 的转接板 (FDRM2TWRMC-KE), 图 16 为 KE04Z 中央控制板 (FRDM-KE04Z), 图 17 为低压电机驱动板 (TWR-MC-LV3PH) 跳线初级接头插针引脚次级接头图 15 TWR - MC - FRDMKE02Z 转接板 Freescale Semiconductor 25

供电电源接口预驱动器 MC33937 编码器 / 霍尔传感器接头相电流采样电阻直流母线电流检测插针

26 R3, R4 MKE04Z8VFK4 复位按钮 R6, R7 USB 接口图 16 KE04Z 中央控制板 (FRDM-KE04Z) 三相逆变桥电机三相接口直流母线电流采样电阻直流母线一半电压检测插针供电电源接口预驱动器 MC33937 编码器 / 霍尔传感器接头相电流采样电阻直流母线电流检测插针刹车电阻接口反电势 / 相电流检测插针图 17 低压电机驱动板 26 Freescale Semiconductor

27 6.2 软件安装本应用的软件开发环境为 IAR Embedded Workbench for ARM v6.6 在第一次使用 FreeMASTER 软件之前需要安装 USB 转 SCI 驱动在 MS word 文件 Installation USB/SCI Bridge manual 中描述了驱动的安装步骤在成功安装驱动之后, 选择一个连接到 USB 端口的串口, 这样 FreeMASTER 调试工具就可以使用了 7 图形结果 7.1 FreeMASTER 图形界面图 18 为 FreeMASTER 调试工具的 GUI( 图形用户界面 ) 使能 UART 模块采用串口通信就可以实现 FreeMASTER 的远程控制主机通过一个 USB 线连接到微控制器用户电脑的 USB 端口作为一个虚拟串口 USB 转 UART 桥接器完成信号由 USB 形式到 UART 形式的转换, 反之亦然在 project ->Options->Comm->Communication 选项中选择 Direct RS232 作为通信方式, 波特率设为 9600 bps 在 project->options->map Files 下的 Defulat symbol file 选项中选择工程生成的可执行文件 ; 在 File format 选项中选择 Binary ELF with DWARF1 or DWARF2 dbg format 图 18 FreeMASTER 调试界面 Freescale Semiconductor 27

7.2 相电流和相电压图 19 为相电流波形, 左图为六步方波控制下相电流波形,

28 7.2 相电流和相电压图 19 为相电流波形, 左图为六步方波控制下相电流波形, 右图为正弦波控制下的相电流波形很明显, 正弦波控制模式下, 相电流波形是正弦的, 转矩波动小相电流 ( 六步方波控制 ) 相电流 ( 正弦波控制 ) 图 19 相电流图 20 为相电压波形左图为双极性六步方波控制的相电压波形, 右图为正弦波控制的相电压波形正弦波控制的相电压波形如图 9 所示相电压 ( 双极性六步方波控制 ) 相电压 ( 正弦波控制 ) 图 20 相电压 28 Freescale Semiconductor

29 8 参考文献以下参考文献均可从飞思卡尔官网 freescale.com 获得 KE04 Sub-Family Reference Manual (MKE04P24M48SF0RM) KE04 Series Data Sheet (MKE04P80M48SF0) TWRMCLV3PHUG: TWR-MC-LV3PH User s Guide (TWRMCLV3PHUG) TWR-MC-LV3PH Schematics TWR-SER-SCH Schematics Freescale Semiconductor 29

30 How to Reach Us: Home Page: Web Support: 本文档中的信息仅供系统和软件实施方使用 Freescale 产品未包含基于本文档信息设计或加工任何集成电路的任何明示或暗示的版权许可授权 Freescale 保留对此处任何产品进行更改的权利, 恕不另行通知 Freescale 对其产品在任何特定用途方面的适用性不做任何担保表示或保证, 也不承担因为应用或使用产品或电路所产生的任何责任, 明确拒绝承担包括但不局限于因果性或附带损害在内的所有责任 Freescale 数据表和 / 或规格中所提供的典型参数在不同应用中可能并且确实不同, 实际性能会随时间而有所变化所有操作参数, 包括典型值在内, 在每个客户应用中必须经由客户的技术专家进行验证 Freescale 未转让与其专利权及其他权利相关的许可 Freescale 销售产品时遵循以下网址中包含的标准销售条款和条件 : freescale.com/salestermsandconditions Freescale, Kinetis, and the Freescale logo are trademarks of Freescale Semiconductor, Inc., Reg. U.S. Pat. & Tm. Off. All other product or service names are the property of their respective owners Freescale Semiconductor, Inc. Document Number: AN4869 Rev. 0 03/2014

AN4796, 基于FRDM-KE02Z和Tower Board的无传感器BLDC电机控制 - 应用说明

AN4796, 基于FRDM-KE02Z和Tower Board的无传感器BLDC电机控制 - 应用说明 Freescale Semiconductor 文档编号 :AN4796 Application Note Rev. 1, 11/2013 基于 FRDM-KE02Z 和 Tower Board 的无传感器 BLDC 电机控制 1 引言本应用手册介绍了基于飞思卡尔 FRDM_KE02Z 微控制器的无传感器三相无刷直流电机的控制技术该设计是基于飞思卡尔的 FRDM-KE02Z 控制板实现的, 在电机控制上它可以实现良好的控制效果