基于PSoC4的BLDC電機控制系統(tǒng)的設計與實現

1. 引言

Cypress在2013年推出了可編程片上系統(tǒng)PSoC(Programmable System on Chip)家族的最新產品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高性價比的處理器核架構，使得PSoC4系列產品成為一個具有高度可擴展性的處理器平臺，在性價比、功耗等方面優(yōu)勢顯著。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上開發(fā)電機控制系統(tǒng)時將更加直觀與快捷。

PSoC4產品系列目前推出的是CY8C4100和CY8C4200兩個入門級產品系列。本文即以CY8C4200為例，介紹如何在PSoC4上開發(fā)有傳感器的三相無刷直流電機控制系統(tǒng)。

2. PSoC4架構及與電機控制相關的片內簡介

PSoC 4是基于ARM Cortex-M0 CPU(處理器)的可編程嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)。 如下圖1所示的是PSoC4的系統(tǒng)框圖。

圖1:PSoC4的系統(tǒng)框圖

PSoC4在開發(fā)環(huán)境方面與PSoC家族的上一代產品保持一致，仍然為PSoC Creator,延續(xù)了將片內資源抽象為模塊化Component的開發(fā)方法，控制系統(tǒng)架構清晰具體，簡單快捷。用戶可以更多關注產品的功能開發(fā)，而較少的注意芯片的硬件結構細節(jié)。

3. 有傳感器無刷直流電機控制原理及主要商用控制案例分析

① 無刷直流電機控制原理

無刷直流(Brushless Direct Current, BLDC)電機正在汽車、家電、工業(yè)自動化、航空航天及醫(yī)療設備領域獲得廣泛的應用，并將繼續(xù)逐步取代有刷電機。由于采用電子換相，BLDC電機具有更長的壽命和更小的運轉噪音。此外，隨著軟磁材料技術的進一步提高和價格的不斷下降，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(wěn)定的特性使BLDC電機擁有更好的機械特性和動態(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電機將獲得進一步的推廣。

從電機結構原理上來說，BLDC電機定子和轉子磁場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(tǒng)上。

三相BLDC電機采用兩相順序通電模式產生旋轉磁場，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。由于取消了自動換向的機械電刷，因此需要實時檢測轉子的空間位置，霍爾效應傳感器因其較高的性價比和安裝方便被廣泛采用。對于兩相導通的三相BLDC電機來說，每個電周期分成6個不同的通電區(qū)間，因此需要三個霍爾傳感器來進行分區(qū)。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系圖，霍爾傳感器的每一個變化都要求導通相的實時改變，電機即按照既定的邏輯連續(xù)順序運行。

圖2:霍爾傳感器信號與相繞組導通關系圖

② 無刷直流電機主要商用控制案例分析

目前各大主流半導體廠商均推出了各自的有傳感器BLDC電機控制方案，技術類似，也比較成熟。概括說來，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觸發(fā)中斷，在中斷服務程序中根據圖2的邏輯來查表改變相應的導通相，達到換向的目的。

圖3為市場上的主流商用方案示意圖，通過簡單的分析我們可以發(fā)現MCU通過中斷服務程序來進行換相，在對電機電流的監(jiān)控上，電流信號由外部采樣及運放電路送入ADC后由軟件程序來比較判斷是否過流并關斷PWM輸出，保護電機及電路系統(tǒng)。

圖3:BLDC電機主流商用方案示意圖

總的說來，與永磁同步電機和步進電機相比，BLDC電機的控制較為簡單。各半導體廠商的解決方案結構大體類似，技術也日趨同質化。通過進一步的分析可以發(fā)現，電機的換相和電流的監(jiān)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時有效的手段，影響電機的安全運行

4.基于PSoC4的無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(jié)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，實現更快速可靠的硬件換相，無須軟件干涉;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(jiān)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。電機電流經采樣電阻后進入片內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電流源產生的過流閾值基準。比較器輸出的跳變將直接關斷PWM輸出，保護電機。[!--empirenews.page--]

圖4:基于PSoC4的無刷直流電機控制框圖

對比基于PSoC4的控制方案和當前市場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完成無刷直流電機的順序換相和電流監(jiān)控，比軟件實現更加快速可靠，且節(jié)省了可觀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，這也是其它廠商所不具備的重要功能。

5. 基于PSoC4 的無刷直流電機控制系統(tǒng)設計

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I/O引腳后直接輸入UDB換相邏輯表LUT_Cmut直接驅動三相全橋電路，完成電機的硬件換相。同時霍爾信號也同步輸入另一個UDB邏輯表LUT_Spd,實現霍爾傳感器的失效狀態(tài)檢測并完成電機的速度檢測。

電機電流經采樣電路后輸入片內運放Opamp_1,經運放和濾波后輸入片內比較器，與片內IDAC產生的過流閾值基準進行比較，反轉后將直接關斷PWM輸出，通過換相邏輯表LUT_Cmut來使電機斷電。

圖5:步進電機控制原理圖

② 控制系統(tǒng)軟件設計

由于采用了PSoC4片內硬件進行換相、霍爾失效檢測和過流檢測保護，因此系統(tǒng)的的軟件設計較為簡捷，只需讀取用戶命令和完成速度閉環(huán)調節(jié)等即可。圖6為控制系統(tǒng)主程序流程框圖。

圖6:主程序流程圖

控制主程序首先初始化和配置PSoC4的內部資源，在主循環(huán)中首先檢測用戶的起停命令和速度給定，在執(zhí)行速度閉環(huán)PI調節(jié)。最后檢測母線電壓狀態(tài)。

③ 控制系統(tǒng)實驗結果

完成系統(tǒng)前述的系統(tǒng)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開發(fā)板，三相全橋驅動板與BLDC電機，通電后電機可正常運行。圖7顯示電機運行在4000RPM時的霍爾信號與三相繞組反電動勢波形。通道1,2,3分別為相繞組A,B,C反電動勢波形。

由圖可以看出，BLDC電機運行穩(wěn)定，反電動勢為標準的梯形波。

圖7: 三相霍爾信號與繞組反電動勢波形

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平臺上開發(fā)有傳感器BLDC電機控制系統(tǒng)。本文的設計過程說明，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完成，簡化了控制系統(tǒng)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，使過流檢測反應速度更快并進一步降低了成本。因此，用戶可以使用PSoC4設計出具有優(yōu)異性能和較低價格的有傳感器BLDC電機控制系統(tǒng)和產品。