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作者：Cypress高級應用工程師 王銳 摘要：本文首先針對電機控制簡(jiǎn)要介紹了Cypress最新推出的PSoC4產(chǎn)品的主要特性和有傳感器BLDC電機控制原理。然后分析了當前主要的步進(jìn)電機商用解決方案，詳細闡述了在PSoC4平臺上開(kāi)發(fā)傳感器BLDC電機控制系統的方法，過(guò)程和優(yōu)勢，并給出了實(shí)用的工程和實(shí)驗結果。 1. 引言 Cypress在2013年推出了可編程片上系統PSoC（Programmable System on Chip）家族的最新產(chǎn)品PSoC4，采用ARM Cortex-M0作為處理核心。PSoC4完全繼承了PSoC芯片家族本身的高度可編程的靈活性，并融合了Cortex-M0高性?xún)r(jià)比的處理器核架構，使得PSoC4系列產(chǎn)品成為一個(gè)具有高度可擴展性的處理器平臺，在性?xún)r(jià)比、功耗等方面優(yōu)勢顯著(zhù)。更值得一提的是，PSoC4針對電機控制提供了完整和極具特色的片內資源，因此工程師在PSoC4上開(kāi)發(fā)電機控制系統時(shí)將更加直觀(guān)與快捷。 PSoC4產(chǎn)品系列目前推出的是CY8C4100和CY8C4200兩個(gè)入門(mén)級產(chǎn)品系列。本文即以CY8C4200為例，介紹如何在PSoC4上開(kāi)發(fā)有傳感器的三相無(wú)刷直流電機控制系統。 2. PSoC4架構及與電機控制相關(guān)的片內資源簡(jiǎn)介 PSoC 4是基于A(yíng)RM Cortex-M0 CPU（處理器）的可編程嵌入式系統控制器家族，為嵌入式應用提供了強大的可編程平臺。它集合了可編程模擬資源、可編程內部互聯(lián)、用戶(hù)可編程數字邏輯、通用的固定功能外設計以及高性能的ARM Cortex-M0 CPU子系統。 圖1是PSoC4的系統框圖。限于篇幅，本文將主要概括與無(wú)刷直流電機控制相關(guān)的片內資源特性，詳細內容可以參考Cypress網(wǎng)站上的PSoC4的數據手冊。 ●高達48MHz，43 DMIPS 的32位Cortex-M0 CPU，支持單周期乘法 ●多達32 KB Flash及4KB SRAM內存 ●四個(gè)獨立的可支持中央對齊的TCPWM，支持互補的可編程死區及同步ADC操作 ●兩個(gè)支持比較器模式及SAR ADC輸入緩沖功能的運算放大器 ●兩個(gè)電流數模轉換器（IDAC），可以輸出給內部模塊，或通過(guò)GPIO輸出到外部成為可定制的用戶(hù)電流源。 ●四個(gè)可編程數字邏輯模塊(UDB) ●一個(gè)支持零開(kāi)銷(xiāo)通道切換功能的12位1 Msps ADC ●CapSense驅動(dòng) 
圖1： PSoC4芯片系統框圖 PSoC4在開(kāi)發(fā)環(huán)境方面與PSoC家族的上一代產(chǎn)品保持一致，仍然為PSoC Creator，延續了將片內資源抽象為模塊化Component的開(kāi)發(fā)方法，控制系統架構清晰具體，簡(jiǎn)單快捷。用戶(hù)可以更多關(guān)注產(chǎn)品的功能開(kāi)發(fā)，而較少的注意芯片的硬件結構細節。 3. 有傳感器無(wú)刷直流電機控制原理及主要商用控制方案分析 ① 無(wú)刷直流電機控制原理 無(wú)刷直流(Brushless Direct Current, BLDC)電機正在汽車(chē)、家電、工業(yè)自動(dòng)化、航空航天及醫療設備領(lǐng)域獲得廣泛的應用，并將繼續逐步取代有刷電機。由于采用電子換相，BLDC電機具有更長(cháng)的壽命和更小的運轉噪音。此外，隨著(zhù)軟磁材料技術(shù)的進(jìn)一步提高和價(jià)格的不斷下降，BLDC電機將更多的采用高性能的釹鐵硼稀土材料制作永磁轉子，其較高的磁能積和穩定的特性使BLDC電機擁有更好的機械特性和動(dòng)態(tài)響應，更高的效率和轉速范圍。因此，在環(huán)境和性能要求比較苛刻的中高端應用中，BLDC電機將獲得進(jìn)一步的推廣。 從電機結構原理上來(lái)說(shuō)，BLDC電機定子和轉子磁場(chǎng)具有相同的頻率和轉速，因此是同步電機的一種。定子繞組可繞制成單相、兩相和三相，其中三相BLDC電機因輸出功率大、轉矩脈動(dòng)小和效率高應用最廣泛。本文的研究對象也將放在三相BLDC電機的控制系統上。 三相BLDC電機采用兩相順序通電模式產(chǎn)生旋轉磁場(chǎng)，定子各相繞組的導通與否由轉子位置唯一確定，以保證轉子能夠始終輸出最大轉矩。由于取消了自動(dòng)換向的機械電刷，因此需要實(shí)時(shí)檢測轉子的空間位置，霍爾效應傳感器因其較高的性?xún)r(jià)比和安裝方便被廣泛采用。對于兩相導通的三相BLDC電機來(lái)說(shuō)，每個(gè)電周期分成6個(gè)不同的通電區間，因此需要三個(gè)霍爾傳感器來(lái)進(jìn)行分區。圖2為典型的霍爾傳感器輸出信號與相應的導通相之間的關(guān)系圖，霍爾傳感器的每一個(gè)變化都要求導通相的實(shí)時(shí)改變，電機即按照既定的邏輯連續順序運行。
圖2：霍爾傳感器信號與相繞組導通關(guān)系圖 ② 無(wú)刷直流電機主要商用控制方案分析 目前各大主流半導體廠(chǎng)商均推出了各自的有傳感器BLDC電機控制方案，技術(shù)類(lèi)似，也比較成熟。概括說(shuō)來(lái)，將三路霍爾傳感器的輸出接到MCU的輸入引腳上，每一路電平的變化將會(huì )觸發(fā)中斷，在中斷服務(wù)程序中根據圖2的邏輯來(lái)查表改變相應的導通相，達到換向的目的。 圖3為市場(chǎng)上的主流商用方案示意圖，通過(guò)簡(jiǎn)單的分析我們可以發(fā)現MCU通過(guò)中斷服務(wù)程序來(lái)進(jìn)行換相，在對電機電流的監控上，電流信號由外部采樣及運放電路送入ADC后由軟件程序來(lái)比較判斷是否過(guò)流并關(guān)斷PWM輸出，保護電機及電路系統。
圖3：BLDC電機主流商用方案示意圖 總的說(shuō)來(lái)，與永磁同步電機和步進(jìn)電機相比，BLDC電機的控制較為簡(jiǎn)單。各半導體廠(chǎng)商的解決方案結構大體類(lèi)似，技術(shù)也日趨同質(zhì)化。通過(guò)進(jìn)一步的分析可以發(fā)現，電機的換相和電流的監控都在軟件中完成，但是電流的放大與處理需要外部的運放電路，速度慢，成本較高且不可靠。此外，對霍爾傳感器失效的硬件檢測缺乏實(shí)時(shí)有效的手段，影響電機的安全運行。 4.基于PSoC4的無(wú)刷直流電機控制架構及優(yōu)勢分析 PSoC4采用的ARM Cortex-M0高性能處理核心不僅能夠快速完成電機的閉環(huán)速度調節和其它相應的控制運算，其內部集成的可編程UDB可以將圖2所示的換相邏輯以CPLD的形式固化在芯片中，實(shí)現更快速可靠的硬件換相，無(wú)須軟件干涉；此外，UDB更可以直接檢測霍爾信號的失效狀態(tài)，并立即關(guān)斷PWM輸出，迅速保護電機。 PSoC4內部集成有支持比較器模式的運算放大器（Opamp）和可編程IDAC電流源，因此對電機電流的監控也可以完全集成到PSoC4片內完成，而不需要任何外部有源器件。電機電流經(jīng)采樣電阻后進(jìn)入片內Opamp，放大后作為片內比較器的正端輸入，比較器的負端輸入為片內IDAC電流源產(chǎn)生的過(guò)流閾值基準。比較器輸出的跳變將直接關(guān)斷PWM輸出，保護電機。
圖4：基于PSoC4的無(wú)刷直流電機控制框圖 對比基于PSoC4的控制方案和當前市場(chǎng)上的主流商用方案我們不難發(fā)現，PSoC4由于集成了豐富的片內模擬和數字資源，可以完全用片內的硬件來(lái)完成無(wú)刷直流電機的順序換相和電流監控，比軟件實(shí)現更加快速可靠，且節省了可觀(guān)的片外有源器件的成本。此外，片內的UDB還可以直接檢測霍爾傳感器的失效狀態(tài)，并迅速保護電機，這也是其它廠(chǎng)商所不具備的重要功能。 5. 基于PSoC4 的無(wú)刷直流電機控制系統設計實(shí)例 ① 控制原理圖設計 依據圖4的控制框圖，我們設計了圖5所示的在PSoC Creator環(huán)境下的BLDC電機控制原理圖。 霍爾信號經(jīng)I/O引腳后直接輸入UDB換相邏輯表LUT_Cmut直接驅動(dòng)三相全橋電路，完成電機的硬件換相。同時(shí)霍爾信號也同步輸入另一個(gè)UDB邏輯表LUT_Spd，實(shí)現霍爾傳感器的失效狀態(tài)檢測并完成電機的速度檢測。 電機電流經(jīng)采樣電路后輸入片內運放Opamp_1,經(jīng)運放和濾波后輸入片內比較器，與片內IDAC產(chǎn)生的過(guò)流閾值基準進(jìn)行比較，反轉后將直接關(guān)斷PWM輸出，通過(guò)換相邏輯表LUT_Cmut來(lái)使電機斷電。
圖5：步進(jìn)電機控制原理圖 ② 控制系統軟件設計 由于采用了PSoC4片內硬件進(jìn)行換相、霍爾失效檢測和過(guò)流檢測保護，因此系統的的軟件設計較為簡(jiǎn)捷，只需讀取用戶(hù)命令和完成速度閉環(huán)調節等即可。
圖6：主程序流程圖 圖6為控制系統主程序流程框圖。 控制主程序首先初始化和配置PSoC4的內部資源，在主循環(huán)中首先檢測用戶(hù)的起停命令和速度給定，在執行速度閉環(huán)PI調節。最后檢測母線(xiàn)電壓狀態(tài)。 ③ 控制系統實(shí)驗結果 完成系統前述的系統原理圖和程序設計后，在PSoC Creator環(huán)境下編譯BLDC電機控制工程，并連接PSoC4開(kāi)發(fā)板，三相全橋驅動(dòng)板與BLDC電機，通電后電機可正常運行。圖7顯示電機運行在4000RPM時(shí)的霍爾信號與三相繞組反電動(dòng)勢波形。通道1，2，3分別為相繞組A，B，C反電動(dòng)勢波形。 由圖可以看出，BLDC電機運行穩定，反電動(dòng)勢為標準的梯形波。
圖7： 三相霍爾信號與繞組反電動(dòng)勢波形 6. 小結 本文主要介紹了如何在Cypress推出的PSoC家族的最新成員PSoC4平臺上開(kāi)發(fā)有傳感器BLDC電機控制系統。本文的設計過(guò)程說(shuō)明，PSoC4片內集成的豐富資源使BLDC電機的換相和霍爾失效檢測都可以由內部硬件來(lái)完成，簡(jiǎn)化了控制系統的軟件設計并提高了可靠性。此外，片內集成的運放和比較器將電流檢測和保護也放在芯片內部完成，使過(guò)流檢測反應速度更快并進(jìn)一步降低了成本。因此，用戶(hù)可以使用PSoC4設計出具有優(yōu)異性能和較低價(jià)格的有傳感器BLDC電機控制系統和產(chǎn)品。 |
