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(多图) 基于XC866/846中霍尔传感器模式实现直流无刷电机同步整流控制

荆晓博?? 英飞凌科技(中国)有限公司系统应用工程师?? 2013年04月24日 ?? 收藏0
电动自行车作为一种环保的交通工具已得到了广泛使用。直流无刷电机及控制器是电动自行车中的关键部件,其性能决定了整个系统的电能转换效率。控制器根据霍尔传感器输出信号,驱动3相全桥电路,实现对直流无刷电机的控制,因此霍尔信号的准确性及换相的实时性会直接影响电机的性能。在现有电动自行车控制器方案中,霍尔传感器信号的采集均采用软件扫描形式进行,换相操作也通过软件处理,换相误差大,实时性差,尤其对中高速电机更为明显。而英飞凌公司的XC866/846可以支持硬件霍尔信号采集、换相操作,且无需额外电路即可实现同步整流控制,单片机利用率高,电机控制性能好。

直流无刷电机控制

传统的直流无刷电机采用梯形波驱动方式,系统结构框图如图1a所示,MCU根据三个霍尔传感器信号调制PWM输出,PWM驱动波形如图1b所示。由于在这种控制方式下,电机端电压波形为梯形波,因此也称为梯形波控制。从图1中可以看出,PWM输出存在6种状态,对于每种状态,逆变桥的6个功率管中仅有2个工作,例如,当状态等于5时,CC60和COUT62对应通道开通。

基于XC866/846中霍尔传感器模式实现直流无刷电机同步整流控制

在PWM开通和关断期间,逆变桥内的电流如图2所示(以状态5为例)。当PWM开通时,电流经过M1,经过电机及M6返回电源。当PWM关闭时,续流电流经由D2(M2中的寄生二极管)、电机相线和M6返回电源。由于二极管D2的导通压降为0.6~1V左右,因此续流电流在这个二极管上会产生较大的损耗,当电机负载大、续流电流大的时候,损耗问题更加严重,将影响逆变器效率。

基于XC866/846中霍尔传感器模式实现直流无刷电机同步整流控制

为减少续流电流在寄生二极管上产生的损耗,在一些应用中使用MOSFET作为逆变元件。由于MOFSET具有导通阻抗低、电流可以双向流动的特点,在M1关断,进入续流阶段时,开通M2,使续流电流流经M2,由于MOSFET的导通阻抗极低,损耗很小,例如当续流电流为10A,MOSFET导通电阻10mΩ,二极管D2压降0.7v时,若续流电流流经D2时产生损耗为7W,而流经MOSFET时产生损耗仅为1W,因此使用这种控制方式可以减少损耗,提高逆变器的效率,在续流电流大的情况下效果更加明显。这种控制方式亦称为同步整流,电流示意图如图3a。由于MOSFET的上、下管需要交替开通,为避免直通的危险,需要添加死区时间。采用同步整流控制时,6路PWM的驱动波形如图3b所示。

基于XC866/846中霍尔传感器模式实现直流无刷电机同步整流控制

CCU6E霍尔传感器模式

捕获/比较单元6(CCU6E)是英飞凌的8/16位单片机中包含的专用电机驱动单元,内部结构如图4所示。CCU6E包含两个专用16位定时器(T12,T13),可以产生各种PWM调制信号,支持交流电机、直流无刷电机、开关磁阻电机等多种电机控制,结构框图如图4所示。CCU6E还提供支持块交换和多相电机控制的多通道模式,并集成专用霍尔传感器模式,可在使用极少CPU资源的前提下实现直流无刷电机的控制。

基于XC866/846中霍尔传感器模式实现直流无刷电机同步整流控制

霍尔传感器模式如图6所示。在霍尔传感器模式中,CCU6E通过专用输入接口CCPOS0、1、2自动采样霍尔信号,为滤除霍尔信号中的干扰,CCU6E利用死区时间计数器DTC0实现滤波功能,任何霍尔信号的跳变将自动重载DTC0并开始向下计数,当DTC0计数到1时,进行霍尔信号的采集操作。从而在霍尔信号变化到采样点之间产生了一个延时,减少干扰对换相的影响。

基于XC866/846中霍尔传感器模式实现直流无刷电机同步整流控制

当滤波延时完成后,CCU6E会自动进行霍尔信号的采样和比较操作,如果霍尔输入值等于期望值(MCMOUTH中EXPH),则表明发生正确的霍尔换相事件(CHE),可触发正确霍尔换相中断。如果输入霍尔信号既不等于期望值,也不等于当前霍尔值,则表明霍尔信号发生错误(如霍尔信号线断开),同时可触发错误霍尔事件中断,通知CPU进行相应处理。

基于XC866/846中霍尔传感器模式实现直流无刷电机同步整流控制

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