【導(dǎo)讀】本篇文章詳細(xì)解析了在Cypress最新推出的PSoC4平臺(tái)上，開(kāi)發(fā)傳感器BLDC的電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。文中詳述了BLOD的電機(jī)控制原理，同事介紹了PSoC產(chǎn)品的相關(guān)特性。分析在可編程片上系統(tǒng)上開(kāi)發(fā)傳感器BLOD的電機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)及方法，總結(jié)出具有實(shí)時(shí)性的解決方案。
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(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高性價(jià)比的處理器核架構(gòu)，使得PSoC4系列產(chǎn)品成為一個(gè)具有高度可擴(kuò)展性的處理器平臺(tái)，在性價(jià)比、功耗等方面優(yōu)勢(shì)顯著。更值得一提的是，PSoC4針對(duì)電機(jī)控制提供了完整和極具特色的片內(nèi)資源，因此工程師在PSoC4上開(kāi)發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)將更加直觀與快捷。
PSoC4產(chǎn)品系列目前推出的是CY8C4100和CY8C4200兩個(gè)入門(mén)級(jí)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(jī)控制系統(tǒng)。
1、PSoC4架構(gòu)及電機(jī)控制的片內(nèi)資源簡(jiǎn)介
1、PSoC4架構(gòu)及電機(jī)控制的片內(nèi)資源簡(jiǎn)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(yīng)用提供了強(qiáng)大的可編程平臺(tái)。它集合了可編程模擬資源、可編程內(nèi)部互聯(lián)、用戶可編程數(shù)字邏輯、通用的固定功能外設(shè)計(jì)以及高性能的ARM Cortex-M0 CPU子系統(tǒng)。
（1）高達(dá)48MHz，43 DMIPS 的32位Cortex-M0 CPU，支持單周期乘法
（2）多達(dá)32 KB Flash及4KB SRAM內(nèi)存
（3）四個(gè)獨(dú)立的可支持中央對(duì)齊的TCPWM，支持互補(bǔ)的可編程死區(qū)及同步ADC操作
（4）兩個(gè)支持比較器模式及SAR ADC輸入緩沖功能的運(yùn)算放大器
（5）兩個(gè)電流數(shù)模轉(zhuǎn)換器（IDAC），可以輸出給內(nèi)部模塊，或通過(guò)GPIO輸出到外部成為可定制的用戶電流源。
（6）四個(gè)可編程數(shù)字邏輯模塊(UDB)
（7）一個(gè)支持零開(kāi)銷通道切換功能的12位1 Msps ADC
（8）CapSense驅(qū)動(dòng)
圖1：PSoC4的系統(tǒng)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(xù)了將片內(nèi)資源抽象為模塊化Component的開(kāi)發(fā)方法，控制系統(tǒng)架構(gòu)清晰具體，簡(jiǎn)單快捷。用戶可以更多關(guān)注產(chǎn)品的功能開(kāi)發(fā)，而較少的注意芯片的硬件結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。
2、基于PSoC4 的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例
① 控制原理圖設(shè)計(jì)
霍爾信號(hào)經(jīng)I/O引腳后直接輸入U(xiǎn)DB換相邏輯表LUT_Cmut直接驅(qū)動(dòng)三相全橋電路，完成電機(jī)的硬件換相。同時(shí)霍爾信號(hào)也同步輸入另一個(gè)UDB邏輯表LUT_Spd，實(shí)現(xiàn)霍爾傳感器的失效狀態(tài)檢測(cè)并完成電機(jī)的速度檢測(cè)。電機(jī)電流經(jīng)采樣電路后輸入片內(nèi)運(yùn)放Opamp_1,經(jīng)運(yùn)放和濾波后輸入片內(nèi)比較器，與片內(nèi)IDAC產(chǎn)生的過(guò)流閾值基準(zhǔn)進(jìn)行比較，反轉(zhuǎn)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(jī)斷電。
圖2：BLDC電機(jī)控制原理圖
② 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
由于采用了PSoC4片內(nèi)硬件進(jìn)行換相、霍爾失效檢測(cè)和過(guò)流檢測(cè)保護(hù)，因此系統(tǒng)的的軟件設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)捷，只需讀取用戶命令和完成速度閉環(huán)調(diào)節(jié)等即可。
圖3：控制系統(tǒng)主程序流程框圖
控制主程序首先初始化和配置PSoC4的內(nèi)部資源，在主循環(huán)中首先檢測(cè)用戶的起停命令和速度給定，在執(zhí)行速度閉環(huán)PI調(diào)節(jié)。最后檢測(cè)母線電壓狀態(tài)。
③ 控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
完成系統(tǒng)前述的系統(tǒng)原理圖和程序設(shè)計(jì)后，在PSoC Creator環(huán)境下編譯BLDC電機(jī)控制工程，并連接PSoC4開(kāi)發(fā)板，三相全橋驅(qū)動(dòng)板與BLDC電機(jī)，通電后電機(jī)可正常運(yùn)行。圖4顯示電機(jī)運(yùn)行在4000RPM時(shí)的霍爾信號(hào)與三相繞組反電動(dòng)勢(shì)波形。通道1，2，3分別為相繞組A，B，C反電動(dòng)勢(shì)波形。
由圖可以看出，BLDC電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，反電動(dòng)勢(shì)為標(biāo)準(zhǔn)的梯形波。
圖4：霍爾信號(hào)與三相繞組反電動(dòng)勢(shì)波形
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3、基于PSoC4的無(wú)刷直流電機(jī)控制架構(gòu)及優(yōu)勢(shì)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(jī)的閉環(huán)速度調(diào)節(jié)和其它相應(yīng)的控制運(yùn)算，其內(nèi)部集成的可編程UDB可以將圖5所示的換相邏輯以CPLD的形式固化在芯片中，實(shí)現(xiàn)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(cè)霍爾信號(hào)的失效狀態(tài)，并立即關(guān)斷PWM輸出，迅速保護(hù)電機(jī)。
PSoC4內(nèi)部集成有支持比較器模式的運(yùn)算放大器（Opamp）和可編程IDAC電流源，因此對(duì)電機(jī)電流的監(jiān)控也可以完全集成到PSoC4片內(nèi)完成，而不需要任何外部有源器件。電機(jī)電流經(jīng)采樣電阻后進(jìn)入片內(nèi)Opamp，放大后作為片內(nèi)比較器的正端輸入，比較器的負(fù)端輸入為片內(nèi)IDAC電流源產(chǎn)生的過(guò)流閾值基準(zhǔn)。比較器輸出的跳變將直接關(guān)斷PWM輸出，保護(hù)電機(jī)。
圖5：基于PSoC4的無(wú)刷直流電機(jī)控制框圖
對(duì)比基于PSoC4的控制方案和當(dāng)前市場(chǎng)上的主流商用方案我們不難發(fā)現(xiàn)，PSoC4由于集成了豐富的片內(nèi)模擬和數(shù)字資源，可以完全用片內(nèi)的硬件來(lái)完成無(wú)刷直流電機(jī)的順序換相和電流監(jiān)控，比軟件實(shí)現(xiàn)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(nèi)的UDB還可以直接檢測(cè)霍爾傳感器的失效狀態(tài)，并迅速保護(hù)電機(jī)，這也是其它廠商所不具備的重要功能。
① 無(wú)刷直流電機(jī)控制原理
無(wú)刷直流(Brushless Direct Current, BLDC)電機(jī)正在汽車、家電、工業(yè)自動(dòng)化、航空航天及醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用，并將繼續(xù)逐步取代有刷電機(jī)。由于采用電子換相，BLDC電機(jī)具有更長(zhǎng)的壽命和更小的運(yùn)轉(zhuǎn)噪音。此外，隨著軟磁材料技術(shù)的進(jìn)一步提高和價(jià)格的不斷下降，BLDC電機(jī)將更多的采用高性能的釹鐵硼稀土材料制作永磁轉(zhuǎn)子，其較高的磁能積和穩(wěn)定的特性使BLDC電機(jī)擁有更好的機(jī)械特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)，更高的效率和轉(zhuǎn)速范圍。因此，在環(huán)境和性能要求比較苛刻的中高端應(yīng)用中，BLDC電機(jī)將獲得進(jìn)一步的推廣。
從電機(jī)結(jié)構(gòu)原理上來(lái)說(shuō)，BLDC電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)具有相同的頻率和轉(zhuǎn)速，因此是同步電機(jī)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(jī)因輸出功率大、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小和效率高應(yīng)用最廣泛。本文的研究對(duì)象也將放在三相BLDC電機(jī)的控制系統(tǒng)上。
三相BLDC電機(jī)采用兩相順序通電模式產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，定子各相繞組的導(dǎo)通與否由轉(zhuǎn)子位置唯一確定，以保證轉(zhuǎn)子能夠始終輸出最大轉(zhuǎn)矩。由于取消了自動(dòng)換向的機(jī)械電刷，因此需要實(shí)時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)子的空間位置，霍爾效應(yīng)傳感器因其較高的性價(jià)比和安裝方便被廣泛采用。對(duì)于兩相導(dǎo)通的三相BLDC電機(jī)來(lái)說(shuō)，每個(gè)電周期分成6個(gè)不同的通電區(qū)間，因此需要三個(gè)霍爾傳感器來(lái)進(jìn)行分區(qū)。圖6為典型的霍爾傳感器輸出信號(hào)與相應(yīng)的導(dǎo)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(dǎo)通相的實(shí)時(shí)改變，電機(jī)即按照既定的邏輯連續(xù)順序運(yùn)行。
圖6：霍爾傳感器輸出信號(hào)與相應(yīng)的導(dǎo)通相之間的關(guān)系圖
② 無(wú)刷直流電機(jī)主要商用控制方案分析
目前各大主流半導(dǎo)體廠商均推出了各自的有傳感器BLDC電機(jī)控制方案，技術(shù)類似，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(jù)圖7的邏輯來(lái)查表改變相應(yīng)的導(dǎo)通相，達(dá)到換向的目的。
圖7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(xiàn)MCU通過(guò)中斷服務(wù)程序來(lái)進(jìn)行換相，在對(duì)電機(jī)電流的監(jiān)控上，電流信號(hào)由外部采樣及運(yùn)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(hù)電機(jī)及電路系統(tǒng)。
圖7：主流商用方案示意圖
總的說(shuō)來(lái)，與永磁同步電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)相比，BLDC電機(jī)的控制較為簡(jiǎn)單。各半導(dǎo)體廠商的解決方案結(jié)構(gòu)大體類似，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(xiàn)，電機(jī)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(yùn)放電路，速度慢，成本較高且不可靠。此外，對(duì)霍爾傳感器失效的硬件檢測(cè)缺乏實(shí)時(shí)有效的手段，影響電機(jī)的安全運(yùn)行。
結(jié)語(yǔ)：本文詳述了在Cypress推出的PSoC4平臺(tái)上開(kāi)發(fā)有傳感器BLDC電機(jī)控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)方案的實(shí)例證明，BLOD電機(jī)借助PSoC4片內(nèi)集成資源能夠達(dá)到換相的目的，而且霍爾失效檢測(cè)可以通過(guò)內(nèi)部硬件完成實(shí)驗(yàn)過(guò)程，提高了電機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的可靠性和實(shí)效性。此外，在芯片內(nèi)部，比較器的電流檢測(cè)以及片內(nèi)集成的運(yùn)放都可以成為現(xiàn)實(shí)。加快了過(guò)流檢測(cè)的反應(yīng)速度，從而降低了成本。因此，使用PSoC4設(shè)計(jì)出的有傳感器BLDC電機(jī)控制系統(tǒng)和產(chǎn)品具有更高的實(shí)用價(jià)值和高效性。
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