中微-CMS8M3533-电动扳手应用方案

1.   概述

本方案采用极具性价比的8位MCU芯片CMS8M3533为主控，为驱动算法运行、速度提升及转矩调节精度提供保障。具有低噪音、低损耗、运行平稳、使用寿命长、无极调速等技术优势，为广大客户提供高性价比的、稳定可靠的方案选择。华秋商城&中微共同为客户提供完整方案，包括原理图、源程序以及应用说明，并可提供定制服务，更有专业技术服务团队提供技术支持。

1.1   MCU简介

CMS8M3533是8051内核、兼容MCS-51的1T指令系统、通用IO型的8位芯片，工作频率最高可达48MHz，该MCU具有如下特性：

l  増强型8051内核

- 工作主频48MHz, 2T指令运行

- 工作电压：2.1V ~ 5.5V

- 工作温度：-40°C ~ 105°C

l  Memory

- 16KB Flash

- 256B IRAM, 1KB XRAM

- 1KB Data Flash

l  GPIO

- 多达22个GPIOs

- 所有数字功能可分配到任意GPIO

l  灵活配置的系统时钟，可自由切换

- 内部高速RC振荡：24MHz/48MHz

- 外部高速晶体振荡：8MHZ/16MHZ

- 外部低速晶体振荡：32.768KHZ

- 内部低功耗振荡：125KHZ

l  丰富的定时器

- 1个专用休眠唤醒定时器WUT

- 5个16-bit通用定时器

- 1个16-bit看门狗定时器

l  电机控制专用PWM模块

- 支持独立/互补/同步/成组输出模式

- 支持中心对称和非对称模式

- 支持单次和自动加载模式

- 支持掩码输出和刹车功能

- PWM任意边沿或周期可触发ADC转换

l  高精度12-bitADC

- 所有GPIO均可配置为ADC输入通道

- 参考电压可选(1.2V/2.4V/3.0VA/DD)

- 支持硬件触发启动ADC转换

- 支持ADC结果比较功能

l  丰富的模拟外设

- 内置2路高性能运算放大器(5MHz, 8V/us)

- 内置2路高性能模拟比较器，支持双边迟滞功能(10mV/20mV/60mV)

l  丰富的通讯接口

- 1xllC(通讯速率最快可达400Kb/s)

- 1xSPI (通讯速率最快可达6Mb/s)

- 2xUART (内建独立波特率发生器)

l  96-bit 唯一ID(UID)

2.  应用范围

本方案是一款具有大扭矩启动、两档扭力选择、反转自停、电量指示，夜间LED照明等功能的控制器产品。广泛应用于汽车轮胎更换、室外架搭建、室内房屋装潢、货架搭建、结构厂房搭建、螺丝装卸和木工钻孔等工况。

3.  方案特点

大扭矩启动

电量指示、照明、两档可选、反转自停、记忆功能

过流、短路、过温、缺相、过欠压保护、错误报警指示

4.  方案说明

4.1典型应用原理图

4.2典型应用PCB图

PCB 正反面图

4.3主要单元电路说明

4.3.1辅助电源电路（12V&5V线性稳压、输入母线电压检测、上电自检）

12V&5V线性稳压：输入电压经CMS6021产生系统需要的12V与5V。

输入母线电压检测：CMS6021线性稳压器按1/11的分压比例输出母线电压采集信号。

上电自检：当贴装R4电阻和C2电容并取消R3电阻时，上电后有自检功能；当取消R4

电阻和C2电容并贴装R3电阻时，上电后无自检功能。

4.3.2 MCU

CMS8M3533是8051内核、兼容MCS-51的1T指令系统、通用I。型的8位芯片，同时内置90V三相半桥驱动模块。MCU负责整个系统的信号采集，数据处理，逻辑功能控制。

4.3.3反电动势采样

无刷无感直流电机通过反电势来判断转子位置，使用MCU的内置比较器来侦测过零点之前，必须先对相电压做分压，再经过低通滤波以获得低于5V的直流电压。而判断过零点的阈值，则设置为该直流电压幅值的1/2。随着电机转速与负载的不同，该直流电压的幅值是会 改变的。因此，过零点的阈值也随之在调整，这可由MCU实时采样并计算而得。

4.3.4扳机控制模块

扳机控制模块电路可实现幵机上电、正反转控制、无级调速、照明指示控制等功能。

4.3.5电量指示、温度保护、模式切换（正转模式下：切换高低档；反转模式下：切

换反转自停功能）

l  温度保护：R49为负温度系数热敏电阻，R44与R49构成分压电路，Layout时R49靠近功率MOSFET放置。通过检测功率MOSFET温度变化引起的R44与R49构成的分压电路输出的电压变化来完成过温保护信号采样。

l  模式切换：MCU通过检测P26口电平拉低完成正转模式下的高低档位切换与反转模式下的反 转自停功能切换。

l  电量指示：通过检测到的不同的输入母线电压来点亮不同LED，三颗LED (LED4、LED5、LED6） 在同时点亮且以不同的频率和次数闪烁来表示报警指示功能。

4.3.6功率回路

6颗功率MOSFET按MCU给出的信号轮流导通驱动电机旋转，根据不同的MOSFET选择 合适的Rg电阻。并考虑MOSFET在极限工况下的耐电压耐电流参数，且留有一定的余量。

4.3.7电流采样

采用0.001R采样电阻取得母线电流对应的电压信号，通过单片机内置可编程运算放大 器放大。为了能得到准确的电流信息，增加偏置电路。偏置电压由R29、R30分压后通过CMS8M3533内部可编程运算放大器产生，PGA输出到内部比较器正端，当电流超过软件设定的值时进入过流保护。

5.  PCB Layout注意事项

5.1布局注意事项

l  整体布局遵循功率回路与小信号控制回路分开布局原则，功率部份在满足铜箔载流量与温度敏感器件距离的前提下，按最小环路面积布局。

l  芯片的放置方向优先考虑驱动出线，电流采样以及反电动势采样等关键信号。

l  布局按树状结构以输入电容为参考分区汇流，单元电路地回路按输出回输入原则走线。

l  Rsense电阻尽量靠近输入Bulk Capacitor布局

l  滤波电容抵近端口放置

l  电阻分压采样下偏阻容尽量抵近检测端口放置（特别是反电动势采样与电流采样相关）

l  驱动Rg电阻抵近MOSFET放置

l  NTC温度传感器贴近热源放置

5.2关键信号走线

l  运放电流采样按差分走线，从Rsense焊盘中间出线，走线远离干扰源。

l  运放基准地应与MCU为同一参考地，反电动势采样地与MCU为同一参考地。

l  敏感弱电信号线与强电或高频信号线保持一定距离，例如：U, V, W,相线禁止从芯片底部走线。

l  辅助电源从输入Bulk Capacitor出线。

本方案是一款具有大扭矩启动、两档扭力选择、反转自停、电量指示，夜间LED照明等功能的控制器产品。广泛应用于汽车轮胎更换、室外架搭建、室内房屋装潢、货架搭建、结构厂房搭建、螺丝装卸和木工钻孔等工况。