基于PSoC3芯片的無(wú)位置傳感器BLDC電機控制

摘要
本文介紹基于新一代可編程片上系統芯片PSoC3(CY8C3866AXI-040)的無(wú)位置傳感器無(wú)刷電機（BLDC）控制方案 。PSoC3 片內豐富的資源減少了BLDC無(wú)傳感器控制對外部器件的依賴(lài)。借助于片內模擬多路選擇器，一個(gè)比較器模塊就能采樣三路反電勢信號。而比較器的時(shí)鐘同步功能可以在PWM高電平時(shí)刻對反電勢信號進(jìn)行采樣，并將之與母線(xiàn)電壓做比較以獲取反電勢過(guò)零點(diǎn)。此外，該芯片在處理電機控制的同時(shí)還可以處理電容感應按鍵掃描以及與上位機通訊等任務(wù)。
Keyword： BLDC sensor-less control, Programmable system on chip
關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電機　無(wú)位置傳感器　可編程片上系統

引言
　　相比傳統的有刷直流電機而言，無(wú)刷直流電機（BLDC）用電控制裝置取代了電刷和換向器，提高了電機的可靠性，減小了電機的噪音，并且方便了電機的維護，正在許多領(lǐng)域獲得廣泛應用。無(wú)刷直流電機的換相是借助于安裝在電機定子上的位置傳感器（光學(xué)，磁性等元件）實(shí)現的。常用的三相六狀態(tài)120度控制方式保證在任何時(shí)刻有兩項繞組導通，另外一項繞組不導通。當轉子轉到一定位置時(shí)，位置傳感器輸出信號發(fā)生變化提示控制器進(jìn)行換相?！∑鋼Q相邏輯如圖1所示：

　　　
　　　　　　圖1　帶霍爾傳感器的無(wú)刷直流電機換相狀態(tài)圖

　然而，位置傳感器的使用帶來(lái)一些缺點(diǎn)：增加電機的成本和體積，增加了內部連線(xiàn)降低了系統的抗干擾性，　在特定場(chǎng)合（高溫，強震動(dòng)，高腐蝕性）容易實(shí)效等。因而，近些年來(lái)，隨著(zhù)控制芯片的性能的日益強大，無(wú)傳感器的BLDC電機控制逐漸成為研究熱點(diǎn)。
無(wú)傳感器的轉子位置檢測
無(wú)刷直流電機的無(wú)位置傳感器控制的關(guān)鍵技術(shù)在于轉子位置信息的獲取及估算方法。無(wú)位置傳感器檢測方法主要包括反電動(dòng)勢過(guò)零點(diǎn)檢測法、反電動(dòng)勢三次諧波積分檢測法、續流二極管檢測法、反電動(dòng)勢積分法、磁鏈估計法、擴展卡爾曼濾波法等。本文所采用的位置檢測方法為經(jīng)典的反電勢過(guò)零點(diǎn)檢測法。其原理如下：


圖2 無(wú)刷電機驅動(dòng)電路拓撲
圖2為典型的三相星型連接的無(wú)刷電機驅動(dòng)電路拓撲。Va， Vb，Vc為三相端電壓，Vn為中性點(diǎn)電壓。假定C相為非通電相，則根據電機方程有：
(1)

其中E為反電勢，I為相電流，L為電感。

A相電流與B相電流大小相等，流向相反。

基于式（8）， 采樣端電壓可以推算出Ec的過(guò)零點(diǎn)。而種算法又有如下的細分算法：
1） 直接應用式（8），同時(shí)用ADC去采樣三相電壓。
2）在PWM 輸出信號為OFF時(shí)采樣非通電相電壓，將之與零電壓比較。

因為在此時(shí)，由式（8）得到：

忽略二極管和功率管的保護壓降，Vc的過(guò)零點(diǎn)就是Ec的過(guò)零點(diǎn)。
3）在PWM 輸出信號為OFF時(shí)采樣非通電相電壓，將之與母線(xiàn)電壓的一半比較。

在此時(shí)，

由式（8）得到：

所以，忽略二極管和功率管的保護壓降， Ec的過(guò)零點(diǎn)就是Vc與母線(xiàn)電壓一半比較翻轉的點(diǎn)。

綜合上述算法，1）的算法簡(jiǎn)單明了，但對ADC模塊的要求較高，要求同時(shí)采多路電壓。并且需要ADC的采樣與PWM同步以消除PWM斬波所帶來(lái)的噪聲。2）的算法在低速時(shí)比較有優(yōu)勢，因為低速時(shí)反電勢信號比較弱，這種算法的采樣區域恰為非通電相端電壓過(guò)零區域，無(wú)需對端電壓信號做縮小處理。但當PWM 的占空比比較高時(shí)，由于可供采樣的時(shí)間點(diǎn)太短，容易造成采樣失敗，所以不太適合全速全載運行的情形。 而3）種算法則具有較寬的調速范圍。 本文的實(shí)現方法就是采用了第三種方法，在PWM為ON的時(shí)候去比較非通電相電壓與半母線(xiàn)電壓。

PSoC3 芯片介紹
PSoC 是世界獨一無(wú)二的可編程嵌入式片上系統。它是在一片芯片上集成了可編程模擬和數字外設功能、內存和一個(gè)微控制器。賽普拉斯的可擴展PSoC 平臺可根據設計需要進(jìn)行調整，因此不必頻繁地更改設計來(lái)適應不同的微控制器體系架構。
PSoC1是第一代PSoC芯片，它的特點(diǎn)是借助經(jīng)過(guò)成本優(yōu)化的8位M8C CPU子系統，獲得優(yōu)異性能、可編程性和靈活性。易用的設計軟件無(wú)需編寫(xiě)很多代碼或根本不需要編寫(xiě)代碼，從而縮短了創(chuàng )建嵌入式解決方案的時(shí)間。
PSoC3在PSoC1的基礎上，賽普拉斯新推出地一款新架構，高集成化芯片。它增加了新設計的高精度、可編程模擬模塊，單循環(huán)、通道式8位8051內核和可配置的高性能數字系統。由于具有一個(gè)高性能8位8051RISC內核（提供高達67MHz和33MIPS），PSoC3體系架構可以比標準8051運行速度快10倍之多。同時(shí)，片內還配置了直接內存訪(fǎng)問(wèn)接口（DMA），加速了數據在片內不同外設/內存之間的傳輸，減少了CPU的開(kāi)銷(xiāo)。
CY8C3866AXI-040 是PSoC3 芯片家族中的一員，它的系統架構如圖5所示：

圖5 CY8C3866AXI-040的系統架構
圖的左邊部分為系統資源，包括CPU，DMA, 中斷控制器，內存，電源管理器，內置的I2C/USB等通訊模塊以及調試接口。中間部分為片上數字系統和模擬系統。數字系統包括24個(gè)可編程的通用數字模塊（UDB）和固化的計數器，PWM發(fā)生器等。而模擬系統包括ADC模塊，DAC模塊，比較器，運算放大器以及通用的可編程模擬模塊。右邊部分為IO 的端口。IO口可以通過(guò)接口連接到任意的數字/模塊單元上。

在本設計中，重點(diǎn)用到的模塊包括：比較器，UDB模塊，DAC模塊等。
電機反電勢過(guò)零點(diǎn)的監測
利用CY8C3866AXI-040的片上資源，無(wú)刷電機的過(guò)零點(diǎn)監測無(wú)需借助任何外部芯片。監測的原理前面闡述過(guò)，即在PWM 輸出信號為OFF時(shí)采樣非通電相電壓，將之與母線(xiàn)電壓的一半比較。 此方案中PWM調制模式為對上側開(kāi)關(guān)管進(jìn)行PWM調制，對下側橋臂采取恒通的方式進(jìn)行驅動(dòng)。電機為24V，30W的低壓無(wú)刷電機。
圖6為檢測反電勢過(guò)零所配置的片內資源框圖：

圖6 反電勢過(guò)零點(diǎn)檢測框圖
A、B、C代表三相端電壓輸入。Half Vbus 為半母線(xiàn)電壓。 片內的模擬信號選擇器（Analog Mux）會(huì )根據換相狀態(tài)動(dòng)態(tài)的切換所要采樣的非通電相。片內的比較器具有時(shí)鐘同步觸發(fā)的功能。該功能使得比較器可以在時(shí)鐘信號的上升沿采用輸入端信號并作比較操作。該設計中的時(shí)鐘信號來(lái)自于數字模塊中的PWM模塊的輸出。 這樣，比較器可以在PWM為高電平的時(shí)刻將端電壓與半母線(xiàn)電壓作比較。比較器的翻轉時(shí)刻即是反電勢過(guò)零點(diǎn)。而比較器的輸出翻轉時(shí)，可以觸發(fā)中斷，通知CPU作相應的處理。 此實(shí)現方法原理簡(jiǎn)單，無(wú)需外部多路選擇器/鎖存器/比較器。
另外，片上的比較器還具有滯回比較的功能。即比較器輸出器自上而下翻轉與自上而下翻轉的電壓并不完全一致，而是有一個(gè)10mV左右的滯回電壓。此功能可以避免比較器輸出受毛刺影響而被誤觸發(fā)，特別適用于夾帶許多噪音的反電勢信號過(guò)零檢測應用。 圖7就是實(shí)驗波形： 黃色波形為一相的端電壓波形，綠色部分為比較器輸出的方波波形。

圖7 反電勢過(guò)零點(diǎn)檢測實(shí)驗波形
圖8為反電勢監測部分的在PSoC Creator IDE中的原理圖設計。PSoC Creator 是賽普拉斯半導體為PSoC3 芯片打造的開(kāi)發(fā)環(huán)境。 PSoC Creator 提供了原理圖開(kāi)發(fā)界面，用戶(hù)可以將片上的模塊以原理圖的方式進(jìn)行互聯(lián)。

圖8 Creator中反電勢過(guò)零點(diǎn)檢測的原理圖設計
BLDC的換相狀態(tài)機
在圖1中，三相六狀態(tài)的無(wú)刷直流電機的換相過(guò)程通常由查表或者狀態(tài)機來(lái)實(shí)現。在通常的MCU平臺中，這部分的工作由軟件來(lái)完成。而在CY8C3866AXI-040片內，換相邏輯切換是由硬件來(lái)來(lái)完成的。 這都歸功于其內部數字系統中的UDB模塊。
UDB模塊的架構如圖9所示：

圖9 UDB模塊的內部架構
一個(gè)UDB模塊由2個(gè)小型的12C4 的PLD模塊，一個(gè)時(shí)鐘和狀態(tài)控制單元，一個(gè)微型數據處理器（Datapath）組成。UDB模塊可以動(dòng)態(tài)配置成為計數器，SPI，UART， 查找表，PWM發(fā)生器等數字器件。而UDB模塊相互之間可以互聯(lián)成為更為復雜的數字系統。CY8C3866AXI-040片上有24個(gè)UDB模塊。

圖10為無(wú)刷電機換相狀態(tài)的片內實(shí)現：

圖10 Creator中換相狀態(tài)控制的原理圖設計
PWM_1 為UDB模塊配置而成的8 位PWM發(fā)生器。Sector_1 為控制寄存器，控制字包含了無(wú)刷電機六個(gè)狀態(tài)信息。LUT_1 為一個(gè)4*6的狀態(tài)表。它的輸入端為控制字和PWM輸出，輸出端為6路驅動(dòng)信號。狀態(tài)表中的配置如圖11所示：

圖11 LUT中換相真值表的配置
此表實(shí)現的功能就是根據控制字（即電機位置扇區信息），將PWM調制信號按調制模式分配到6個(gè)驅動(dòng)管腳上上。 這個(gè)功能減少了CPU的開(kāi)銷(xiāo)。特別地，如改變電機的PWM調制模式，舉個(gè)例子，將單管PWM模式改為雙管PWM模式，那么只要改變這個(gè)狀態(tài)表的配置就可以了。

對電機速度的計算，也可以通過(guò)由UDB配置的計數器來(lái)實(shí)現。計數器的捕獲輸入信號即來(lái)自于Sector_1控制寄存器的控制字。每當電機換相循環(huán)完成一次，即電機旋轉一個(gè)電氣周期，計數器的值就置入緩沖區而當前值被重值。

過(guò)流保護
電機的過(guò)流保護可以保護電路板及電機免于大電流造成的發(fā)熱和損壞。過(guò)流保護的功能要求快速、準確、靈活。CY8C3866AXI-040片內的模擬模塊可以很好的實(shí)現這個(gè)功能。圖12為PSoC Creator中過(guò)流保護電流的設計：

圖12 Creator中過(guò)流保護電路的原理圖設計
CurrIn為采樣電阻上采樣的電流信號，PGA_OC為增益可調的放大器，它將流過(guò)采樣電阻上的電流信號進(jìn)行放大。 VDAC8_OC 為8位的數模轉換信號，它將用戶(hù)設置的最大電流閾值轉換為模擬電壓信號。Comp_OC為比較器。比較器的輸出連到PWM模塊的Kill端。這樣，如果實(shí)際電流大于所設定的閾值時(shí)，比較器信號發(fā)生翻轉，PWM輸出即被關(guān)斷，實(shí)現了硬件保護功能。
PWM被關(guān)斷的模式也可以靈活的配置：

圖13 PWM模塊中Kill信號的模式配置
? Disabled： Kill信號不起作用
? Asynchronous ： 當Kill信號有效時(shí)，保持關(guān)斷
? Single Cycle： Kill信號只在當前PWM周期有效
? Latched： Kill信號一經(jīng)觸發(fā)，即使Kill信號恢復，模塊也一直保持關(guān)斷
? Min-Time： Kill信號有效后，用戶(hù)可以設置模塊被關(guān)斷的時(shí)間周期

速度閉環(huán)調節

速度閉環(huán)設計可以保證電機速度在負載，電壓等發(fā)生變化時(shí)，保持速度穩定。最經(jīng)典的控制方法為PID控制，其公式如下：

其中 為速度誤差， 為積分系數， 為比例系數。
這種為絕對式PID控制，每次計算都把往次的結果累加起來(lái)，這增加了CPU的負擔。 而相對式PID則是一種改進(jìn)的方法：

這種方法只計算輸出量的增量，對于積分環(huán)節，也只計算本次的誤差，無(wú)需累加計算。這種算法時(shí)候與基于微控制器的數字控制系統。
用戶(hù)界面
本設計提供了多樣的用戶(hù)界面，以方面對電機控制參數的修改，并了解電機的狀態(tài)信息。
一種用戶(hù)界面是基于LCD面板和電容觸摸按鍵的，LCD面板為顯示接口，電容觸摸按鍵則是用戶(hù)輸入接口。電容觸摸按鍵是利用電容感應技術(shù)，通過(guò)檢測手指與按鈕之間的電容來(lái)實(shí)現按鍵和旋鈕功能。如圖14所示，BT1和BT2是兩個(gè)電容觸摸按鍵，另外還有一個(gè)滑條可以動(dòng)態(tài)改變參數：

圖14 電容感應滑條和按鍵
　　此用戶(hù)界面的狀態(tài)機如下：

　 圖15 用戶(hù)界面的狀態(tài)機
電機的旋轉方向、最大電流、PID參數都可以借助上述用戶(hù)界面來(lái)設置。CY8C3866AXI-040　片內的Capsense模塊以及LCD模塊能很方便的完成按鍵掃描已經(jīng)數據顯示。
另外，本設計還允許用戶(hù)通過(guò)UART接口由GUI來(lái)實(shí)現對電機的監控，這里就不做贅述?！?BR>結語(yǔ)
基于PSoC3(CY8C3866AXI-040)的無(wú)位置傳感器BLDC電機控制利用片內豐富的資源減少了BLDC無(wú)傳感器控制對外部器件的依賴(lài)。片內模擬多路選擇器和比較器可以實(shí)現在PWM高電平時(shí)刻對反電勢信號進(jìn)行采樣。換相狀態(tài)機和過(guò)流保護功能完全可由片內硬件模塊完成。此外，該芯片在處理電機控制的同時(shí)還具備強大的用戶(hù)界面接口功能。