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MCF51AG128三相BLDC马达控制设计方案

文章来源：更新时间：2016/3/25 11:38:00

MCF51AG128是ColdFire系列32位可变长度精简指令集（RISC）微控制器。本文介绍了MCF51AG128系列MCU，重点介绍了高度集成且多样化的特性集。
MCF51AG128衍生品是低成本、低功耗、高性能32位ColdFire V1微控制器单元（MCU），专为工业和电器应用设计。它提升了基于MC9S08AC128系列8位微控制器的设计。

MCF51AG128主要特性
32位V1 ColdFire中央处理器单元（CPU）
工作电压为2.7V至5.5V、频率高达50.33MHz的ColdFire CPU
从内部RAM运行时，实现了0.94Dhrystone2.1 DMIPS/MHz的性能（从闪存运行时，实现了0.76DMIPS/MHz的性能）
实现了Coldfire指令集修订版C（ISA_C）
片上存储器
在整个工作电压和温度范围内实现了高达128KB的闪存读取/编程/擦除
16KB随机存取存储器（RAM）
安全电路，能够防止未授权访问RAM和闪存内容
节能模式
3种超低功耗停止模式和降低功率等待模式
外设时钟使能寄存器可将时钟禁用到未使用的模块上，从而降低了电流
系统保护
高级独立时钟看门狗（WDOG），具有多种特性，例如稳定的刷新机制、窗口模式、高粒化超时和快速超时测试，并且常常强制复位
其它外部看门狗监控器（EWM），有助于复位外部电路
低压检测，具有复位或中断功能
独立低压报警，具有可选跳变点
非法操作码和非法地址检测，具有复位功能
各个阵列的闪存模块保护，能够防止意外写入/擦除
硬件CRC模块，支持快速循环冗余校验
调试支持
单线式后台调试接口
实时调试支持，具有6个硬件断点（4个PC、1个地址对和1个数据），可以配置成1或2级触发器
片上跟踪缓冲器提供了可编程启动/停止记录条件
支持利用调试可视化总线进行实时程序（和可选部分数据）跟踪
DMA控制器
4个独立可编程DMA通道为直接在系统存储器和I/O外设之间传输数据提供了方法
DMA使能外设包括IIC、SCI、SPI、FTM、HSCMP、ADC、RTC和eGPIO，来自于这些外设的DMA请求可以配置成DMA源或iEvent输入
CF1_INTC
支持44个外设I/O中断请求和7个软件（1个/级）中断请求
中断请求源、等级和优先级之间的固定联系，最多2个请求可以重映射到最高的可屏蔽等级和优先级
各个中断源都有唯一的矢量编号
支持服务例程中断确认（软件IACK）读周期，提升了系统性能
能够屏蔽任何单个或所有中断源
系统时钟源
振荡器（XOSC）——环路控制皮尔斯振荡器；晶体或陶瓷谐振器的频率范围：31.25kHz~38.4kHz或1MHz~16MHz
内部时钟源（ICS）——锁频环（FLL）由内部或外部参考控制；可调内部参考实现了0.2%的分辨率和2%的偏差（1%@0~70℃）

外设
ADC 24个分辨率为12位的模拟输入；采用12、10或8位右对齐格式的输出；单次或连续转换（单次转换后，自动回到空闲状态）；转换完成时的中断或DMA请求；在低功耗模式下运行，实现了噪声更低的操作；异步时钟源，实现了噪声更低的操作；可以从RTC、PDB或iEvent中选择异步硬件转换触发器；乒乓模式期间基于硬件触发器的双采样；片上温度传感器
PDB 16位分辨率，带有预定标器；7个触发事件输入；触发事件信号的正跳变启动计数器；支持连续触发或单次、旁路模式；同时支持2个触发延迟输出或Ored；脉冲输出可用于HSCMP加窗信号
iEvent用户可编程组合布尔输出，将4条所选iEvent输入通道用作中断请求、DMA传输请求或硬件触发器
FTM 2个6通道灵活定时器/PWM模块，具有DMA请求选项；各个互补通道对都具有死区时间插入功能；通道与对等的输出一起成对运行，具有互补输出或独立通道（具有独立输出）；16位自由运行计数器；可以同步加载具有写缓冲器的FTM寄存器；关键寄存器的写保护；与TPM后向兼容
TPM 16位自由运行或模数增/减计数操作；2条通道，每条通道都可以是输入采集、输出比较或边沿对齐PWM；每条通道1个中断 + 终端计数中断
CRC 高速硬件CRC发生器电路，采用16位移位寄存器；CRC16-CCITT符合x16+x12+x5+1多项式；所有单、双、奇数和大多数多位误差的误差检测；可编程初始晶粒值
HSCMP 2个模拟比较器，比较器输出的上升沿、下降沿或任意一个边沿上具有可选中断；比较器的正和负输入均来自于4:1多路复用器；可编程电压参考来自于2个内部DAC；支持DMA传输
I2C与I2C总线标准和SMBus V2特性兼容；100kbps@最高总线负载；多主操作；可以针对64个差分串行时钟频率之一对软件进行编程；可编程从地址和消抖输入滤波器；中断驱动逐字节数据传输；仲裁丢失中断和自动模式切换；调用地址识别中断；总线繁忙检测；广播和10位地址扩展；MCU处于Stop3模式时，地址匹配会导致唤醒；DMA支持
SCI 2个串行通信接口模块，具有可选13位中断；全双工、标准不归零（NRZ）格式；双缓冲发射器和接收器，具有独立使能；13位波特率选择，具有/32分数除法；中断驱动或轮询操作；硬件奇偶发生与校验；可编程8位或9位字长；接收器被空闲线路或地址符号唤醒；接收器的地址匹配特性降低了地址符号唤醒ISR开销；1/16位时间噪声检测；用于发射与接收的DMA传输
SPI 2个串行外设接口，具有全双工或单线式双向选项；双缓冲发射器与接收器；主或从模式操作；可选MSB优先或LSB优先移位；8位或16位数据模式；可编程发射比特率；接收数据缓冲器硬件匹配特性；用于发射与接收的DMA传输

输入/输出
69个GPIO和1个仅输入引脚
中断或DMA请求，所有输入引脚上的极性均可选
所有输入引脚上均具有可编程消抖滤波器、迟滞和可配置上拉/下拉器件
所有输出引脚上的转换速率和驱动力均可配置
独立引脚数值寄存器，能够读取数字引脚上的逻辑电平
16个快速通用I/O（RGPIO）引脚，连至处理器的本地32位平台总线，具有设置、清空和高速切换功能

图1 MCF51AG128系列MCU框图
BLDC马达没有换向器，因此比DC马达更可靠。BLDC马达还优于AC感应马达。因为它利用转子磁铁产生转子磁通量而实现了更高的效率，所以BLDC马达被应用到了高端白家电（例如冰箱、洗衣机、洗碗机）、高端泵、风扇和其它需要高可靠性与效率的应用之中。

图2 采用MCF51AG128无传感器三相BLDC马达演示板外形图

马达控制系统设计用于驱动组合速度/转矩闭环内的三相无刷DC马达（BLDC马达）。应用满足下列性能规范：
通过反EMF过零感应实现无传感器无刷DC马达控制
面向MCF51AGx平台
在低压（24V）三相马达控制驱动板上运行
控制技术：
利用组合速度/转矩闭环实现无传感器控制
利用ADC实现过零感应
沿2个方向旋转
全四象限操作
通过马达对齐从任何马达位置启动
手动接口（方向切换、上/下按钮控制）
免费MASTER软件控制接口（马达运行/停止、速度/转矩设置）
免费MASTER软件远程监控器
MCU初始化由器件初始化工具完成（Processor Expert的一部分）

图3 三相BLDC/PMSM低压马达驱动板框图

图4 软件主流程图