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MCF51AG128三相BLDC馬達控制設計方案

文章來源：更新時間：2016/3/25 11:38:00

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MCF51AG128是ColdFire系列32位可變長度精簡指令集（RISC）微控制器。本文介紹了MCF51AG128系列MCU，重點介紹了高度集成且多樣化的特性集。
MCF51AG128衍生品是低成本、低功耗、高性能32位ColdFire V1微控制器單元（MCU），專為工業和電器應用設計。它提升了基于MC9S08AC128系列8位微控制器的設計。

MCF51AG128主要特性
32位V1 ColdFire中央處理器單元（CPU）
工作電壓為2.7V至5.5V、頻率高達50.33MHz的ColdFire CPU
從內部RAM運行時，實現了0.94Dhrystone2.1 DMIPS/MHz的性能（從閃存運行時，實現了0.76DMIPS/MHz的性能）
實現了Coldfire指令集修訂版C（ISA_C）
片上存儲器
在整個工作電壓和溫度范圍內實現了高達128KB的閃存讀取/編程/擦除
16KB隨機存取存儲器（RAM）
安全電路，能夠防止未授權訪問RAM和閃存內容
節能模式
3種超低功耗停止模式和降低功率等待模式
外設時鐘使能寄存器可將時鐘禁用到未使用的模塊上，從而降低了電流
系統保護
高級獨立時鐘看門狗（WDOG），具有多種特性，例如穩定的刷新機制、窗口模式、高粒化超時和快速超時測試，并且常常強制復位
其它外部看門狗監控器（EWM），有助于復位外部電路
低壓檢測，具有復位或中斷功能
獨立低壓報警，具有可選跳變點
非法操作碼和非法地址檢測，具有復位功能
各個陣列的閃存模塊保護，能夠防止意外寫入/擦除
硬件CRC模塊，支持快速循環冗余校驗
調試支持
單線式后臺調試接口
實時調試支持，具有6個硬件斷點（4個PC、1個地址對和1個數據），可以配置成1或2級觸發器
片上跟蹤緩沖器提供了可編程啟動/停止記錄條件
支持利用調試可視化總線進行實時程序（和可選部分數據）跟蹤
DMA控制器
4個獨立可編程DMA通道為直接在系統存儲器和I/O外設之間傳輸數據提供了方法
DMA使能外設包括IIC、SCI、SPI、FTM、HSCMP、ADC、RTC和eGPIO，來自于這些外設的DMA請求可以配置成DMA源或iEvent輸入
CF1_INTC
支持44個外設I/O中斷請求和7個軟件（1個/級）中斷請求
中斷請求源、等級和優先級之間的固定聯系，最多2個請求可以重映射到最高的可屏蔽等級和優先級
各個中斷源都有唯一的矢量編號
支持服務例程中斷確認（軟件IACK）讀周期，提升了系統性能
能夠屏蔽任何單個或所有中斷源
系統時鐘源
振蕩器（XOSC）——環路控制皮爾斯振蕩器；晶體或陶瓷諧振器的頻率范圍：31.25kHz~38.4kHz或1MHz~16MHz
內部時鐘源（ICS）——鎖頻環（FLL）由內部或外部參考控制；可調內部參考實現了0.2%的分辨率和2%的偏差（1%@0~70℃）

外設
ADC 24個分辨率為12位的模擬輸入；采用12、10或8位右對齊格式的輸出；單次或連續轉換（單次轉換后，自動回到空閑狀態）；轉換完成時的中斷或DMA請求；在低功耗模式下運行，實現了噪聲更低的操作；異步時鐘源，實現了噪聲更低的操作；可以從RTC、PDB或iEvent中選擇異步硬件轉換觸發器；乒乓模式期間基于硬件觸發器的雙采樣；片上溫度傳感器
PDB 16位分辨率，帶有預定標器；7個觸發事件輸入；觸發事件信號的正跳變啟動計數器；支持連續觸發或單次、旁路模式；同時支持2個觸發延遲輸出或Ored；脈沖輸出可用于HSCMP加窗信號
iEvent用戶可編程組合布爾輸出，將4條所選iEvent輸入通道用作中斷請求、DMA傳輸請求或硬件觸發器
FTM 2個6通道靈活定時器/PWM模塊，具有DMA請求選項；各個互補通道對都具有死區時間插入功能；通道與對等的輸出一起成對運行，具有互補輸出或獨立通道（具有獨立輸出）；16位自由運行計數器；可以同步加載具有寫緩沖器的FTM寄存器；關鍵寄存器的寫保護；與TPM后向兼容
TPM 16位自由運行或模數增/減計數操作；2條通道，每條通道都可以是輸入采集、輸出比較或邊沿對齊PWM；每條通道1個中斷 + 終端計數中斷
CRC 高速硬件CRC發生器電路，采用16位移位寄存器；CRC16-CCITT符合x16+x12+x5+1多項式；所有單、雙、奇數和大多數多位誤差的誤差檢測；可編程初始晶粒值
HSCMP 2個模擬比較器，比較器輸出的上升沿、下降沿或任意一個邊沿上具有可選中斷；比較器的正和負輸入均來自于4:1多路復用器；可編程電壓參考來自于2個內部DAC；支持DMA傳輸
I2C與I2C總線標準和SMBus V2特性兼容；100kbps@最高總線負載；多主操作；可以針對64個差分串行時鐘頻率之一對軟件進行編程；可編程從地址和消抖輸入濾波器；中斷驅動逐字節數據傳輸；仲裁丟失中斷和自動模式切換；調用地址識別中斷；總線繁忙檢測；廣播和10位地址擴展；MCU處于Stop3模式時，地址匹配會導致喚醒；DMA支持
SCI 2個串行通信接口模塊，具有可選13位中斷；全雙工、標準不歸零（NRZ）格式；雙緩沖發射器和接收器，具有獨立使能；13位波特率選擇，具有/32分數除法；中斷驅動或輪詢操作；硬件奇偶發生與校驗；可編程8位或9位字長；接收器被空閑線路或地址符號喚醒；接收器的地址匹配特性降低了地址符號喚醒ISR開銷；1/16位時間噪聲檢測；用于發射與接收的DMA傳輸
SPI 2個串行外設接口，具有全雙工或單線式雙向選項；雙緩沖發射器與接收器；主或從模式操作；可選MSB優先或LSB優先移位；8位或16位數據模式；可編程發射比特率；接收數據緩沖器硬件匹配特性；用于發射與接收的DMA傳輸

輸入/輸出
69個GPIO和1個僅輸入引腳
中斷或DMA請求，所有輸入引腳上的極性均可選
所有輸入引腳上均具有可編程消抖濾波器、遲滯和可配置上拉/下拉器件
所有輸出引腳上的轉換速率和驅動力均可配置
獨立引腳數值寄存器，能夠讀取數字引腳上的邏輯電平
16個快速通用I/O（RGPIO）引腳，連至處理器的本地32位平臺總線，具有設置、清空和高速切換功能

圖1 MCF51AG128系列MCU框圖
BLDC馬達沒有換向器，因此比DC馬達更可靠。BLDC馬達還優于AC感應馬達。因為它利用轉子磁鐵產生轉子磁通量而實現了更高的效率，所以BLDC馬達被應用到了高端白家電（例如冰箱、洗衣機、洗碗機）、高端泵、風扇和其它需要高可靠性與效率的應用之中。

圖2 采用MCF51AG128無傳感器三相BLDC馬達演示板外形圖

馬達控制系統設計用于驅動組合速度/轉矩閉環內的三相無刷DC馬達（BLDC馬達）。應用滿足下列性能規范：
通過反EMF過零感應實現無傳感器無刷DC馬達控制
面向MCF51AGx平臺
在低壓（24V）三相馬達控制驅動板上運行
控制技術：
利用組合速度/轉矩閉環實現無傳感器控制
利用ADC實現過零感應
沿2個方向旋轉
全四象限操作
通過馬達對齊從任何馬達位置啟動
手動接口（方向切換、上/下按鈕控制）
免費MASTER軟件控制接口（馬達運行/停止、速度/轉矩設置）
免費MASTER軟件遠程監控器
MCU初始化由器件初始化工具完成（Processor Expert的一部分）

圖3 三相BLDC/PMSM低壓馬達驅動板框圖