1. 概述

本方案采用極具性價(jià)比的 32 位 MCU 芯片 CMS32M5533 為主控， 為驅(qū)動(dòng)算法運(yùn)行、恒功率控制、PWM 調(diào)速提供保障。  具有低噪音、  低損耗、  運(yùn)行平穩(wěn)、  使用壽命長(zhǎng)等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，  為廣大客戶提供高性價(jià)比的、 穩(wěn)定可靠的方案選擇。  為客戶提供完整方案，  包括原理圖、  源程序以及應(yīng)用說明。  并可提供定制服務(wù)，  更 有專業(yè)技術(shù)服務(wù)團(tuán)隊(duì)提供技術(shù)支持。

1.1 MCU 簡(jiǎn)介

CMS32M55xx 系列 MCU 是中微半導(dǎo)體基于 ARM-Cortex M0 推出的高端電機(jī)控制專用芯片。  主頻高達(dá) 48MHz，  工作電壓 2.1V 至 5.5V；  提供 32K Flash Memory，  8K SRAM；  多達(dá) 30 個(gè) GPIO；  6 通道增強(qiáng)型 PWM 可輸出死區(qū)可控的互補(bǔ)型 PWM；  內(nèi)置采樣率 100Ksps 的 12-bit 低速 ADC,  內(nèi)置采樣率 1.2Msps 的 12-bit 高速 ADC；  內(nèi)置 2 通道高性能運(yùn)算放大器，  2 通道模擬比較器，  2 通道增益可調(diào)的可編程增益放大器；  32 位硬件除法器僅需 6 個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘；  通信接口方面提供 2 個(gè) UART, 1 路 SPI, 1 路 I2C；  工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，  可 工作在-40℃至-105℃；  集成 6N 驅(qū)動(dòng)模式，  降低方案的外圍元器件和 BOM 成本；  提供 IEC60730 安規(guī)認(rèn)證 庫(kù)，  協(xié)助客戶輕松通過 CLASS B 認(rèn)證; 提供 SSOP24，  QFN40 及 LQFP48 多種封裝。

2. 方案特點(diǎn)

> 集成 12Bits 高速 ADC，  多路高性能模擬運(yùn)放和可編程 PGA，  精簡(jiǎn)外圍電路。

> 無感 FOC、  單電阻控制方式

>  自收斂直接閉環(huán)啟動(dòng)算法，  適應(yīng)不同負(fù)載啟動(dòng)，  100%啟動(dòng)成功。

> 順風(fēng)啟動(dòng)效果優(yōu)良，  啟動(dòng)快速平穩(wěn)，  無失步，  運(yùn)行平穩(wěn)噪音低。

> 恒功率控制，  線性堵風(fēng)口識(shí)別并保護(hù)。

> 轉(zhuǎn)速控制可高達(dá) 100000+RPM

> 標(biāo)準(zhǔn)三線接口：  Vsp  （或 PWM）  、  VCC、  GND

> 具備優(yōu)異的 CE、  ESD 性能，  EFT>4200V 。

3. 方案說明

3.1 典型應(yīng)用原理圖

圖1 原理圖

3.2 典型應(yīng)用 PCB 圖

圖2 PCB圖

3.3 主要單元電路說明

3.3.1 輔助電源電路  （5V 線性穩(wěn)壓）

圖3

5V 線性穩(wěn)壓：輸入電壓經(jīng) U1(AMS1117-5.0)線性穩(wěn)壓產(chǎn)生系統(tǒng)需要的 5V。

3.3.2 輸入母線電壓檢測(cè)：

圖4

輸入電壓由 R28 和 R29 電阻分壓，經(jīng) C18 濾波輸入單片機(jī)進(jìn)行采樣來完成母線電壓檢測(cè)功能。

3.3.3 MCU 與預(yù)驅(qū)動(dòng)

圖5

CMS32M5533 是 ARM-Cortex M0 內(nèi)核，  同時(shí)內(nèi)置 90V 三相半橋驅(qū)動(dòng)模塊芯片。MCU負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)采集，  數(shù)據(jù)處理，  驅(qū)動(dòng)輸出，  邏輯功能控制。

3.3.4 反電動(dòng)勢(shì)采樣

圖6

本方案兼容方波BLDC和FOC單電阻控制，  無刷無感直流電機(jī)通過反電動(dòng)勢(shì)來判斷轉(zhuǎn)子位置，  使用MCU的內(nèi)置比較器來偵測(cè)過零點(diǎn)之前,必須先對(duì)相電壓做分壓,再經(jīng)過低通濾波以獲得低于5V的直流電壓。  而判斷過零點(diǎn)的閾值，  則設(shè)置為該直流電壓幅值的1/2。  隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載的不同，  該直流電壓的幅值是會(huì)改變的。因此，過零點(diǎn)的閾值也隨之在調(diào)整，這可由MCU實(shí)時(shí)采樣并計(jì)算而得。

3.3.5 調(diào)速控制

圖7

MCU接受到VSPM調(diào)速信號(hào)，  控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

3.3.6 溫度保護(hù)

圖8

溫度保護(hù)：  RT1為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，  R27與RT1構(gòu)成分壓電路，  Layout時(shí)RT1靠近功 率MOSFET放置。通過檢測(cè)功率MOSFET溫度變化引起的R27與RT1構(gòu)成的分壓電路輸出的電 壓變化來完成過溫保護(hù)信號(hào)采樣。

3.3.7 功率回路

圖9

6顆功率MOSFET按CMS32M5533給出的信號(hào)輪流導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，  根據(jù)不同的MOSFET選擇合適的Rg電阻。并考慮在極限工況下的耐電壓耐電流參數(shù)，且留有一定的余量。

3.3.8 電流采樣

圖10

采用 0.005R 采樣電阻取得母線電流對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，通過單片機(jī)內(nèi)置運(yùn)算放大器放大 （放大倍數(shù)為 10 倍）。為了能得到準(zhǔn)確的電流信息，增加偏置電路。偏置電壓由 R21、R22、R19 分壓后通過 CMS32M5533 內(nèi)部運(yùn)算放大器產(chǎn)生。

4. PCB Layout 注意事項(xiàng)

4.1 布局注意事項(xiàng)

   整體布局遵循功率回路與小信號(hào)控制回路分開布局原則，功率部份在滿足銅箔載流量與溫度敏感器件距離的前提下，按最小環(huán)路面積布局。

   芯片的放置方向優(yōu)先考慮驅(qū)動(dòng)出線，電流采樣以及反電動(dòng)勢(shì)采樣等關(guān)鍵信號(hào)。

   單元電路地回路按輸出回輸入原則走線

    Rsense 電阻盡量靠近輸入 Bulk Capacitor 布局

   濾波電容抵近端口放置

    電阻分壓采樣下偏阻容盡量抵近檢測(cè)端口放置  （特別是反電動(dòng)勢(shì)采樣與電流采樣相關(guān)）

   驅(qū)動(dòng) Rg 電阻抵近 MOSFET 放置

    NTC 溫度傳感器貼近熱源放置

4.2 關(guān)鍵信號(hào)走線

   運(yùn)放電流采樣按差分走線，從 Rsense 焊盤中間出線，走線遠(yuǎn)離干擾源。

   運(yùn)放基準(zhǔn)地應(yīng)與 MCU 為同一參考地，反電動(dòng)勢(shì)采樣地與 MCU 為同一參考地。

   敏感弱電信號(hào)線與強(qiáng)電或高頻信號(hào)線保持一定距離，例如： U， V，  W，相線禁止從芯片底部走線。

   輔助電源從輸入 Bulk Capacitor 出線。

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應(yīng)用范圍

吸塵器、高端電機(jī)控制等

系統(tǒng)方塊圖