在PSoC4平臺上開(kāi)發(fā)傳感器BLDC電機控制系統

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。