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基于PSoC3芯片的无位置传感器BLDC电机控制

赛普锐斯半导体亚太方案中心 顾全?? 2010年04月21日 ?? 收藏0

  引言

  相比传统的有刷直流电机而言,无刷直流电机(BLDC)用电控制装置取代了电刷和换向器,提高了电机的可靠性,减小了电机的噪音,并且方便了电机的维护,正在许多领域获得广泛应用。无刷直流电机的换相是借助于安装在电机定子上的位置传感器(光学,磁性等元件)实现的。常用的三相六状态120度控制方式保证在任何时刻有两项绕组导通,另外一项绕组不导通。当转子转到一定位置时,位置传感器输出信号发生变化提示控制器进行换相。其换相逻辑如图1所示:

  

  图1带霍尔传感器的无刷直流电机换相状态图

  然而,位置传感器的使用带来一些缺点:增加电机的成本和体积,增加了内部连线降低了系统的抗干扰性,在特定场合(高温,强震动,高腐蚀性)容易实效等。因而,近些年来,随着控制芯片的性能的日益强大,无传感器的BLDC电机控制逐渐成为研究热点。

  无传感器的转子位置检测

  无刷直流电机的无位置传感器控制的关键技术在于转子位置信息的获取及估算方法。无位置传感器检测方法主要包括反电动势过零点检测法、反电动势三次谐波积分检测法、续流二极管检测法、反电动势积分法、磁链估计法、扩展卡尔曼滤波法等。本文所采用的位置检测方法为经典的反电势过零点检测法。其原理如下:

  
图2无刷电机驱动电路拓扑

  图2为典型的三相星型连接的无刷电机驱动电路拓扑。Va,Vb,Vc为三相端电压,Vn为中性点电压。假定C相为非通电相,则根据电机方程有:
(1)

  其中E为反电势,I为相电流,L为电感。

  A相电流与B相电流大小相等,流向相反。

  基于式(8),采样端电压可以推算出Ec的过零点。而种算法又有如下的细分算法:

  1)直接应用式(8),同时用ADC去采样三相电压。

  2)在PWM输出信号为OFF时采样非通电相电压,将之与零电压比较。

  因为在此时,由式(8)得到:

  忽略二极管和功率管的保护压降,Vc的过零点就是Ec的过零点。
3)在PWM输出信号为OFF时采样非通电相电压,将之与母线电压的一半比较。

  

  在此时,

  由式(8)得到:

  所以,忽略二极管和功率管的保护压降,Ec的过零点就是Vc与母线电压一半比较翻转的点。

  综合上述算法,1)的算法简单明了,但对ADC模块的要求较高,要求同时采多路电压。并且需要ADC的采样与PWM同步以消除PWM斩波所带来的噪声。2)的算法在低速时比较有优势,因为低速时反电势信号比较弱,这种算法的采样区域恰为非通电相端电压过零区域,无需对端电压信号做缩小处理。但当PWM的占空比比较高时,由于可供采样的时间点太短,容易造成采样失败,所以不太适合全速全载运行的情形。而3)种算法则具有较宽的调速范围。本文的实现方法就是采用了第三种方法,在PWM为ON的时候去比较非通电相电压与半母线电压。

  PSoC3芯片介绍

  PSoC是世界独一无二的可编程嵌入式片上系统。它是在一片芯片上集成了可编程模拟和数字外设功能、内存和一个微控制器。赛普拉斯的可扩展PSoC平台可根据设计需要进行调整,因此不必频繁地更改设计来适应不同的微控制器体系架构。

  PSoC1是第一代PSoC芯片,它的特点是借助经过成本优化的8位M8CCPU子系统,获得优异性能、可编程性和灵活性。易用的设计软件无需编写很多代码或根本不需要编写代码,从而缩短了创建嵌入式解决方案的时间。
PSoC3在PSoC1的基础上,赛普拉斯新推出地一款新架构,高集成化芯片。它增加了新设计的高精度、可编程模拟模块,单循环、通道式8位8051内核和可配置的高性能数字系统。由于具有一个高性能8位8051RISC内核(提供高达67MHz和33MIPS),PSoC3体系架构可以比标准8051运行速度快10倍之多。同时,片内还配置了直接内存访问接口(DMA),加速了数据在片内不同外设/内存之间的传输,减少了CPU的开销。

  CY8C3866AXI-040是PSoC3芯片家族中的一员,它的系统架构如图5所示:

  
图5CY8C3866AXI-040的系统架构

  图的左边部分为系统资源,包括CPU,DMA,中断控制器,内存,电源管理器,内置的I2C/USB等通讯模块以及调试接口。中间部分为片上数字系统和模拟系统。数字系统包括24个可编程的通用数字模块(UDB)和固化的计数器,PWM发生器等。而模拟系统包括ADC模块,DAC模块,比较器,运算放大器以及通用的可编程模拟模块。右边部分为IO的端口。IO口可以通过接口连接到任意的数字/模块单元上。

  在本设计中,重点用到的模块包括:比较器,UDB模块,DAC模块等。


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