基于S12ZVM的車用BLDC無傳感控制方案

　　摘要：針對車用BLDC無傳感控制，提出基于飛思卡爾S12ZVM的單芯片解決方案。詳細(xì)介紹了無傳感BLDC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及基 于S12ZVM無傳感位置檢測方案設(shè)計(jì)。

　　引言

　　BLDC電機(jī)與傳統(tǒng)有刷電機(jī)相比，具有更高的能效、更長的使用壽命、更緊湊的外形、更低的噪音和更高的可靠性，這些優(yōu)點(diǎn)使得BLDC愈來愈多地出現(xiàn)在汽車應(yīng)用中，用來取代傳送帶和液壓系統(tǒng)，提供額外功能和提高燃油經(jīng)濟(jì)性，同時消除維護(hù)成本。由于電勵磁必須與轉(zhuǎn)子位置同步，因此BLDC電機(jī)在運(yùn)行時，通常需要一個或多個轉(zhuǎn)子位置傳感器。由于成本、可靠性、機(jī)械包裝的原因，特別是當(dāng)轉(zhuǎn)子在液體中運(yùn)行時，電機(jī)適宜在無位置傳感器的條件下運(yùn)行，即通常所說的無傳感器運(yùn)行。

　　對于汽車用BLDC控制系統(tǒng)來說，希望能做到PCB尺寸小，BOM成本低以及簡單可靠，低功耗等特點(diǎn)，針對這系列的需求，飛思卡爾半導(dǎo)體推出針對汽車三相無刷電機(jī)的單芯片解決方案S12ZVM家族。S12ZVM是目前市場上集成度最高的無刷直流(BLDC)電機(jī)控制解決方案，有助于加快從直流(DC)到BLDC電機(jī)的過渡。

　　S12ZVM特點(diǎn)

　　飛思卡爾S12ZVM系列是具有突破性的技術(shù)，它將MCU、MOSFET柵極驅(qū)動單元、電壓調(diào)節(jié)器和本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(LIN)物理層這四個系統(tǒng)元素結(jié)合到一個單芯片解決方案中，如圖1。通常實(shí)現(xiàn)這四個功能需要兩至四個芯片。與其它分立式解決方案相比，飛思卡爾通過片上集成將印刷電路板所占物理空間減少了50%。同時汽車制造商不斷尋求可減輕汽車重量和降低功耗的方法，因?yàn)檫@有助于提升燃油經(jīng)濟(jì)性。電子系統(tǒng)供應(yīng)商和電機(jī)制造商也正在迎合這一趨勢，但是在面對定制的解決方案時，他們獲得的解決方案往往不是最優(yōu)的，或不具有可擴(kuò)展性。S12ZVM系列提供諸多不同的產(chǎn)品版本，支持CAN和LIN通信協(xié)議，具有多種存儲器容量和封裝選項(xiàng)。這將允許客戶可重復(fù)使用硬件和軟件設(shè)計(jì)，為空調(diào)風(fēng)機(jī)、雨刮器、燃油泵和水泵等應(yīng)用開發(fā)真正的平臺解決方案。　　

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　　無傳感BLDC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　如圖2所示，三相BLDC電機(jī)控制可采用三相六拍的控制方法，每隔60個電角度進(jìn)行換向控制，同時對三相橋PWM控制可采用單極性控制策略，上橋采用PWM控制，下橋可直接導(dǎo)通與地相連，其優(yōu)點(diǎn)在于控制簡單，較低的MOS管開關(guān)損耗及較低的EMC噪音?！　?/p>

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　　圖3為采用S12ZVM的無傳感BLDC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖，除了三相橋與采樣電阻之外，整個控制都可以由S12ZVM內(nèi)部來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)采用三相六拍控制策略時，只需要一個采樣電阻來檢測電流的大小，S12ZVM內(nèi)部有運(yùn)放可以對電流信號進(jìn)行放大并通過AD模塊進(jìn)行采樣，同時還可以將放大的電流信號經(jīng)過比較器與給定的電壓進(jìn)行比較做過流保護(hù)。圖中藍(lán)色部分為S12ZVM的硬件模塊，而綠色部分則由軟件來實(shí)現(xiàn)功能。AD模塊采樣相電壓，DCBUS電壓和工作電流，經(jīng)過過零點(diǎn)檢測算法來確定換向控制并計(jì)算BLDC實(shí)際速度，速度環(huán)的PI控制器對實(shí)際速度和設(shè)定速度差值進(jìn)行計(jì)算，從而決定PWM的占空比來控制BLDC電機(jī)轉(zhuǎn)動力矩，保證實(shí)際速度按照設(shè)定的速度運(yùn)行。　　

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