直流電機(jī)控制
    直流電機(jī)是所有小型電機(jī)中最常見且最便宜的。在本文中，術(shù)語(yǔ)“直流電機(jī)”特指電刷換向永磁電機(jī)。直流電機(jī)廣泛應(yīng)用于汽車、消費(fèi)和工業(yè)市場(chǎng)領(lǐng)域。無(wú)刷直流 (BLDC) 電機(jī)有望提高可靠性、降低噪音并可能降低成本。然而，BLDC 電機(jī)僅在少數(shù)專用大容量應(yīng)用（磁盤驅(qū)動(dòng)器和計(jì)算機(jī)風(fēng)扇）中取代了傳統(tǒng)直流電機(jī)。
    直流電機(jī)的特性使其成為最容易在變速系統(tǒng)中使用的電機(jī)。扭矩速度特性如圖1所示。直流電機(jī)的空載速度與施加在電機(jī)上的電壓成正比。驅(qū)動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載、線性負(fù)載或指數(shù)負(fù)載的直流電機(jī)的電壓-速度特性也是連續(xù)的、正斜率的和可預(yù)測(cè)的。因此，在大多數(shù)情況下使用開環(huán)控制是可行的。    通過(guò)簡(jiǎn)單地改變電機(jī)兩端的電壓，就可以控制電機(jī)的速度。脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 可用于改變施加到電機(jī)的電壓。施加到電機(jī)的平均電壓與 PWM 占空比成正比（忽略電機(jī)電感和不連續(xù)操作的二階效應(yīng)）。

    一個(gè)基本示例提供了使用 F3xx MCU 對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單的速度控制。此示例使用 ADC 讀取電位器的位置，并使用 PCA 8 位 PWM 模式輸出相應(yīng)的 PWM 信號(hào)。硬件配置如圖2所示。
    單個(gè) N 溝道功率 MOSFET Q1 用于驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。應(yīng)根據(jù)特定的電機(jī)電壓和電流要求選擇功率 MOSFET。續(xù)流二極管 D1 連接在直流電機(jī)兩端。當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)，流過(guò)電機(jī)電感的電流將繼續(xù)流動(dòng)。MOSFET 漏極電壓將升至比電機(jī)電源電壓高出一個(gè)二極管壓降。然后電流將流過(guò)續(xù)流二極管。    大多數(shù)低壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路都采用肖特基功率整流器作為續(xù)流二極管。肖特基整流器具有低正向電壓和非常快的反向恢復(fù)時(shí)間。兩者都是電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中的重要因素。

    圖2：直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
    功率 MOSFET 由反相柵極驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。'F300 的端口引腳默認(rèn)配置為啟用 100 kW 弱上拉的輸入。端口引腳將保持高電平，直到配置端口并啟用交叉開關(guān)和外設(shè)。當(dāng)復(fù)位引腳保持低電平時(shí)，端口引腳也將被配置為啟用弱上拉的輸入。通過(guò)使用反相驅(qū)動(dòng)器，功率晶體管將在默認(rèn)狀態(tài)下關(guān)閉。如果使用同相驅(qū)動(dòng)器，則應(yīng)在端口引腳和地之間連接一個(gè) 10 kW 的下拉電阻。
    柵極驅(qū)動(dòng)器應(yīng)具有 3V 兼容輸入電平閾值，以便與 3V 微控制器一起使用。如果電機(jī)電壓介于 5 V 和 15 V 之間，則可以直接通過(guò)電機(jī)電源電壓為柵極驅(qū)動(dòng)器供電。如果電機(jī)電壓高于 15V，則需要單獨(dú)的柵極驅(qū)動(dòng)電源電壓，通常為 5V 或 12V。當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)電源電壓低于 10V 時(shí)，應(yīng)使用邏輯電平功率 MOSFET。
    該軟件非常簡(jiǎn)單。main () 函數(shù)初始化時(shí)鐘、端口和外設(shè)，并進(jìn)入while(1) 循環(huán)。while(1) 循環(huán)使用avgADC()函數(shù)讀取電位器電壓值 ，并將該值輸出到 8 位 PWM。
    PORT_Init () 函數(shù)配置端口 I/O、外設(shè)并啟用數(shù)字交叉開關(guān)。此處，啟用 8 位 PWM 的輸出和柵極驅(qū)動(dòng)的推挽輸出。
    系統(tǒng)時(shí)鐘 SYSCLK 配置為以 24.5 MHz 的最大速度運(yùn)行，這使得 8 位 PWM 的時(shí)鐘周期為 160 ns，頻率為 24 kHz。
    ADC0_Init () 函數(shù)將 ADC 配置為輪詢模式。ADC 增益設(shè)置為 1，并為 ADC 時(shí)鐘選擇 1 MHz 的保守頻率。請(qǐng)務(wù)必記住初始化參考電壓并將 ADC 配置為使用 VDD 進(jìn)行滿量程。
    函數(shù)readADC() 使用輪詢模式讀取一次電壓并返回 ADC 值。avgADC()函數(shù) 調(diào)用readADC()函數(shù)并返回 64 個(gè)樣本的平均值。對(duì) ADC 讀數(shù)進(jìn)行平均可最大程度地減少噪聲影響并減少 PWM 輸出中的抖動(dòng)。    當(dāng)使用 PCA 8 位 PWM 模式時(shí)，在 CEX0 輸出處，值 0x00 對(duì)應(yīng)于 100% 的占空比，值 0xFF 對(duì)應(yīng)于 0.39% 的占空比。通過(guò)清除 PCA0CPM0 SFR 中的 ECOM0 位可以實(shí)現(xiàn) 0% 的占空比。

    當(dāng)使用反相驅(qū)動(dòng)器時(shí)，關(guān)系相反。值 0x00 對(duì)應(yīng)于 MOSFET 柵極上的 0% 占空比，值 0xFF 對(duì)應(yīng)于 99.6% 占空比。為簡(jiǎn)單起見，本白皮書中使用 8 位 PWM 的所有軟件示例均限制為 99.6% PWM。
    在某些情況下，需要 100% 的占空比。100% 占空比將有效消除開關(guān)損耗。由于 MOSFET 永遠(yuǎn)不會(huì)關(guān)閉，因此 MOSFET 中沒(méi)有開關(guān)損耗，二極管中也沒(méi)有損耗。唯一的功率損耗是功率 MOSFET 中的傳導(dǎo)損耗。如果預(yù)計(jì)電機(jī)大部分時(shí)間都在全速運(yùn)行，則最大占空比最好為 100%。通過(guò)清除 PCA0CPM0 SFR 中的 ECOM0 位可以實(shí)現(xiàn) 100% 的占空比。
    圖3：直流電機(jī)全橋電路