图解FlexTimer模块配置 助您电机控制开发

NXP管管

在电机控制相关项目开发中，经常会碰到这样的问题，客户工程师是电机控制专家，他们对驱动电机的PWM波形时序有严格的要求，但对芯片配置不熟悉，很难快速配置FlexTimer(FTM) 等PWM相关模块产生想要的PWM波形。在经历一次暴风骤雨式的客户支持之后，小编决定化身灵魂手画师，从电机控制开发者角度出发，讲解FlexTimer的配置过程。


好了，一切起源于客户工程师说：
我想要 ----


六路中心对齐的PWM，其中每两路PWM互补， 8kHz频率，死区1.5us，负逻辑驱动，硬件fault故障保护。
如果把抽象的客户需求描绘成形象的图像，就会是这样的画面：

看起来挺复杂，但是别慌，通过下面的五个步骤，按图索骥就可以快速实现客户的要求。

步骤一：PWM初始原型
PWM Initialization


万事开头难，第一步PWM初始原型的配置就可以完成整个配置工作的一半，步骤一就是配置出第一个通道的PWM原型，针对客户的需求，这里我们使用FlexTimer Center-aligned模式，即通过配置，FlexTimer模块可以直接产生中心对齐的PWM信号，其基本原理如下图所示。

具体配置如下图所示。
8kHz的PWM频率由FTM0_MOD寄存器控制。中心对齐的PWM频率计算公式如下：
FTM0_MOD = FTM functional clock frequency / expected PWM frequency / 2
本例中，FlexTimer模块的输入时钟频率 等于MCU的core clock 75MHz，由此FTM0_MOD配置为4688数值，即可产生8KHz PWM频率。
中心对齐的PWM波形由FTM channel (n)产生。如上图所示，FTM channel (n) CnV寄存器控制高电平的时间。按照如下配置公式即可产生中心对其的PWM波形。公式的输入参数就是客户要求的占空比 （即PWM高电平的长度）。
FTM channel (n) CnV = FTM0_MOD * 占空比
举个例子：
要求产生占空比为60%的中心对齐PWM波形，频率为8kHz，则：
由前面计算 FTM0_MOD = 4688对应8KHz频率；
FTM channel (n) CnV = FTM0_MOD *60%= 2813
小结一下，步骤一 PWM初始原型关键配置包括：
FTM0_SC[CPWMS] = 1
FTM0_C0SC[ELSB:ELSA] = 1:0 //clear PWM on match CnV
FTM0_C0V = 2813

步骤二：产生互补波形


通过步骤一，产生了PWM第一个通道的中心对齐的波形，顺利完成了整个配置工作的一半，接下来的步骤二，就是产生PWM第二个通道的PWM，配置相对简单，通过使能FTM互补功能实现，其关键配置如下


FTM0_COMBINE[COMP0] = 1
FTM0_C1SC[ELSB:ELSA] = 1:0 //允许FTM channel1 输出互补PWM


具体图形如下图所示。

步骤三：死区插入


死区就是在电机控制上半桥的开关管关断后，延迟一段时间再打开下半桥，反之亦然，再下半桥关断后，延迟一段时间再打开上半桥，从而避免上下半桥同时导通短路，造成开关管功率器件的烧毁。这段延迟时间就是死区，一般是微秒级别，典型客户要求1.5微秒的死区时间。实现1.5微秒的死区计算公式如下，


FTM0_DEADTIME[DTVAL] = FTM functional clock frequency * 死区时间 / 死区时间分频
= 75MHz * 1.5us/4 = 26 = 0x1A
FTM支持自动死区插入功能，其关键配置如下
FTM0_COMBINE[DTEN0] = 1 //使能死区插入功能
FTM0_DEADTIME[DTPS] = 2 //死区时间分频系数为/4
FTM0_DEADTIME[DTVAL] = 0x1A //死区时间数值


完成步骤三 死区插入之后，两路互补PWM的波形变化如下：

步骤四：极性控制


客户要求的是负逻辑驱动，意味着电机驱动开关管是低电平导通，高电平关断。正好跟之前步骤产生的PWM信号极性相反，可以通过步骤三 极性控制，非常简单控制PWM的极性，其关键配置如下：


FTM0_POL[POL0] = 1 //本通道PWM极性为active low
FTM0_POL[POL1] = 1 //本通道PWM极性为active low


完成步骤三 极性控制后的PWM波形如下，值得注意的是死区控制也自动符合负逻辑驱动的极性，即下半桥 PWM信号变1关断后，上半桥的PWM信号延迟一段时间再变0导通，反之亦然，上半桥 PWM信号变1关断后，下半桥的PWM信号延迟一段时间再变0导通。

步骤五：故障保护


电机控制需要硬件支持故障保护，在出现任何过流过压等故障后，硬件立即关断上下桥臂，并进入故障保护中断中，进行应用软件处理。在故障消失后，一般客户要求是手动清除故障标志来恢复PWM输出。步骤五 故障保护的关键配置如下


Fault input select PTA4 -> FTM0 Fault3 input //使能故障输入引脚的pin mux


FTM0_FLTCTRL[FAULT3EN] = 1 //故障信号的输入引脚编号
FTM0_FLTPOL[FTL3POL] = 1 //故障的极性，信号低电平表明有故障
//Fault control enable
FTM0_MODE[FAULTM] = 0x2 //配置故障消失后手动恢复PWM
FTM0_COMBINE[FAULTEN0] = 1 //使能故障保护功能


故障保护的示意图如下

通过以上五个步骤，我们迅速配置好了FTM模块，成功生成了符合客户要求的两路互补的中心对齐PWM波形，并实现了相应的故障保护功能。在典型电机应用中，需要六路PWM，每两路PWM组成一对，控制电机驱动电路中的上下开关管，在生成一组两路PWM信号之后，依葫芦画瓢，按照上述五个步骤，即可实现所有六路的PWM波形。

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jobszheng5

虽然是自动化专业的学生，但对于电机控制一直没有染指。现在还觉得有些遗憾了。
看着电机或快或慢、或刚烈或轻柔，也挺有成就感的。

mgn

jobszheng5 发表于 2021-6-17 10:24
虽然是自动化专业的学生，但对于电机控制一直没有染指。现在还觉得有些遗憾了。
看着电机或快或慢、或刚烈 ...

那是按摩椅吧

NXP管管

mgn 发表于 2021-6-17 10:38
那是按摩椅吧

哈哈，真实

jobszheng5

NXP管管 发表于 2021-6-17 10:41
哈哈，真实

唉
算你们狠~~

jobszheng5

mgn 发表于 2021-6-17 10:38
那是按摩椅吧

我那是感叹一下。
学术，学术~~

胤幻1988

不错啊 这篇文章 多发些应用的例子啊 我对电机很感兴趣~有没有完整的例子？

NXP管管

胤幻1988 发表于 2021-6-17 15:21
不错啊 这篇文章 多发些应用的例子啊 我对电机很感兴趣~有没有完整的例子？ ...

我给你问问

eefocus_3975260

不错，nice

eefocus_3891719

非常好的文章，点赞了。