基于PSoC?4 的PMSM無傳感器矢量控制

　　1. 基于PSoC®4 的無傳感器矢量控制方案

　　PSoC4簡介

　　PSoC®4 是基于ARM Cortex-M0 CPU的可編程嵌入式系統(tǒng)控制器家族，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)。相對(duì)于PSoC3、PSoC5系列產(chǎn)品的各個(gè)方面, PSoC®4都做了很大的改進(jìn)。PSoC®4現(xiàn)包含CY8C4100 和CYCY8C4200兩個(gè)產(chǎn)品系列，PSoC4100系列是基于ARM內(nèi)核的最低成本的PSoC，它將PSoC的靈活性和高集成度引入對(duì)成本敏感的大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品中。PSoC4200系列擁有速度更快的處理器，更高的ADC采樣速度，以及基于PLD的增強(qiáng)型通用數(shù)字模塊(UDB)。以下概括了其主要特性。

　　· 高性能 Cortex-M0 CPU 內(nèi)核?；?8 MHz ARM Cortex®-M0 中央處理器 , 支持單周期乘法。

　　· 固定功能以及可配置的數(shù)字模塊。包括四個(gè)獨(dú)立的可支持中央對(duì)齊的PWM，支持互補(bǔ)的可編程死區(qū)及同步ADC操作;兩個(gè)可工作為SPI/UART/I2C 串行通信接口的串行通信模塊(SCB);

　　· 高性能模擬系統(tǒng)。包括一個(gè)支持零開銷通道切換功能的12位1 Msps ADC; 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; 兩個(gè)低功耗比較器;一個(gè)電容感應(yīng)(CapSense)模塊，提供極佳的信噪比和防水功能;兩個(gè)電流數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (IDAC)。

　　· 高度可編程的數(shù)字邏輯。四個(gè)可編程數(shù)字邏輯模塊(UDB)，每個(gè)包含兩個(gè)微型的可編程邏輯陣列和一個(gè)8位數(shù)據(jù)運(yùn)算單元 。

　　· 靈活可編程的內(nèi)部互連。

　　基于PSoC4的無傳感器矢量控制方案

　　PSoC4®內(nèi)部集成四個(gè)獨(dú)立的可支持中央對(duì)齊、互補(bǔ)的可編程死區(qū)及同步ADC操作的TCPWM模塊;一個(gè)支持零開銷通道切換功能的12位1 Msps ADC; 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。豐富的片內(nèi)資源可將主控電路所需芯片集成到一片芯片中，實(shí)現(xiàn)高度集成化。圖2顯示了PSoC4無傳感器FOC硬件控制框圖。

　　圖2 PSoC4 無傳感器FOC硬件控制框圖

　　電流檢測電阻上的信號(hào)直接進(jìn)入PSoC4內(nèi)部運(yùn)算放大器，經(jīng)放大后通過內(nèi)部模擬多路選擇器進(jìn)入高速SAR ADC采樣。采樣后由Cortex-M0進(jìn)行FOC算法計(jì)算，更新TCPWM占空比，驅(qū)動(dòng)PMSM運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　相對(duì)于其他解決方案，基于PSoC4的無傳感器FOC解決方案具有以下特點(diǎn)優(yōu)勢：

　　1) 采用高性價(jià)比的Cortex-M0內(nèi)核。Cortex-M0是市場上現(xiàn)有的最小、最節(jié)能的ARM處理器，代碼占用空間小，能以8位處理器的價(jià)格獲得32位處理器的性能，可明顯節(jié)約系統(tǒng)成本。

　　2) 內(nèi)部集成兩個(gè)支持比較器模式及SAR ADC輸入緩沖功能的運(yùn)算放大器。目前市場大部分解決方案均需外部運(yùn)放完成電流采樣，采用PSoC4可從系統(tǒng)BOM表中移除外部運(yùn)放，減少系統(tǒng)成本。

　　3) 內(nèi)部集成兩個(gè)低功耗比較器，可用于硬件保護(hù)或錯(cuò)誤信號(hào)處理。市場常用解決方案大部分采用外部比較器完成此功能。采用PSoC4可進(jìn)一步減少BOM，降低成本。

　　4) 減少PCB空間及BOM成本。由于PSoC4集成了電機(jī)控制所需大部分外設(shè)及其他豐富的模塊，可實(shí)現(xiàn)高度集成化的設(shè)計(jì)。

　　5) 固件IP保護(hù)。PSoC提供了極強(qiáng)的軟件/硬件IP保護(hù)能力，這對(duì)電機(jī)應(yīng)用尤其重要。

　　6) 靈活的通訊接口。PSoC特殊的可編程架構(gòu)提供了極為靈活的通訊接口，可滿足各種應(yīng)用的需求。

　　基于PSoC4的設(shè)計(jì)實(shí)例

　　PSoC 4采用PSoC Creator集成設(shè)計(jì)環(huán)境，PSoC Creator允許用戶拖放預(yù)先配置好的、可隨時(shí)投產(chǎn)的模擬和數(shù)字IP模塊，也就是PSoC組件到自己的設(shè)計(jì)之中，并將其按照多種應(yīng)用需求進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)，創(chuàng)建真正屬于自己的器件。PSoC4能提供數(shù)十種免費(fèi)的PSoC組件(Components™), 可適用于很多類應(yīng)用.

　　1) 原理圖設(shè)計(jì)

　　主控電路部分最核心的有兩部分：PWM及電流采樣，我們將重點(diǎn)討論著兩部分的設(shè)計(jì)過程。與PSoC3、PSoC5相比，PSoC4增強(qiáng)TCPWM模塊的功能。TCPWM包括四個(gè)16位的周期長度用戶可編程的計(jì)數(shù)器，這些計(jì)數(shù)器之間可以進(jìn)行功能同步。每個(gè)模塊包含一個(gè)捕獲寄存器、一個(gè)周期寄存器以及一些比較寄存器。每個(gè)模塊都支持互補(bǔ)的可編程的死區(qū)，還支持一個(gè)關(guān)斷輸入信號(hào)來強(qiáng)迫輸出信號(hào)進(jìn)入預(yù)先設(shè)定的狀態(tài)。

　　如圖3所示，從PSoC Creator中拖放三個(gè)TCPWM模塊，配置TCPWM的工作模式為中央對(duì)齊，帶死區(qū)的雙路互補(bǔ)輸出模式。三對(duì)PWM輸出可分別作為U、V和W相橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)(如PWM_U_Upper, PWM_U_Lower)。同時(shí)在任一TCPWM模塊的UN事件輸出(下溢信號(hào)，用來指示計(jì)數(shù)器向下計(jì)數(shù)達(dá)到“0”)觸發(fā)PWM中斷(PWM_MainLoop_ISR)，用于進(jìn)行FOC計(jì)算并更新占空比，同時(shí)在任一TCPWM模塊的OV事件輸出(上溢信號(hào)，用來指示計(jì)數(shù)器向上計(jì)數(shù)達(dá)到周期寄存器中的值)觸發(fā)ADC中斷，用于采樣相電流及母線電壓等。圖中的控制寄存器(PWM_Ctrl_Reg)還可以同時(shí)使能或禁止六路PWM輸出。PSoC靈活的可編程特性可輕松實(shí)現(xiàn)了三對(duì)嚴(yán)格同步的互補(bǔ)對(duì)稱PWM及其更新邏輯，這樣可以使工程師將更多的時(shí)間專注于算法層面，提供產(chǎn)品的競爭力。

　　圖3三相PWM原理圖

　　采樣部分主要負(fù)責(zé)完成兩相電流及母線電壓采樣。如圖4所示，電流檢測電阻上的信號(hào)直接進(jìn)入芯片內(nèi)部運(yùn)放放大器(Opamp_1, Opamp_2)，電路形式采用差分放大形式，相關(guān)阻容在芯片外部。信號(hào)經(jīng)放大器放大后直接由內(nèi)部進(jìn)入SAR ADC模塊進(jìn)行采樣。SAR ADC模塊能夠?qū)崿F(xiàn)最高1Msps的單通道采樣，支持零開銷通道切換功能。

　　圖4 采樣部分原理圖

　　2) 程序設(shè)計(jì)

　　主控程序首先會(huì)初始化和配置PSoC®4的內(nèi)部資源，然后進(jìn)入主循環(huán)。主循環(huán)主要檢測用戶的起停命令和速度給定，決定電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài);并完成一定的調(diào)試輸出功能。FOC主算法全部在PWM中斷中完成，主要完成讀取ADC采樣結(jié)果，完成坐標(biāo)變換，PID控制，SVPWM輸出及更新占空比等操作。具體流程圖如圖5所示。

　　圖5 程序流程圖

　　3) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　在PSoC Creator環(huán)境下編譯工程，并連接PSoC4開發(fā)板，三相全橋驅(qū)動(dòng)板與PMSM電機(jī)，通電后電機(jī)可正常運(yùn)行。圖6顯示了電機(jī)相電流波形。從測試結(jié)果可以看出，電流波形平滑，正弦度很好。

　　圖6 相電流波形圖

　　2. 小結(jié)

　　上述實(shí)例介紹了如何在PSoC®4 平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)PMSM無傳感器矢量控制。PSoC®4作為Cypress最新推出的產(chǎn)品，針對(duì)電機(jī)控制做出了富有特色的優(yōu)化。憑借片內(nèi)豐富的資源及高度的靈活性，用戶可以輕松設(shè)計(jì)出高度集成化、低成本、性能優(yōu)越的PMSM矢量控制系統(tǒng)，提高產(chǎn)品的核心競爭力。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]. PSoC® 4: PSoC 4100 Family Datasheet

　　[2]. PSoC® 4: PSoC 4200 Family Datasheet

　　[3]. PSoC® 4 Architecture TRM

　　[4]. PSoC 4100/4200 Family PSoC® 4 Registers TRM (Technical Reference Manual)

　　[5]. AN79953 - Getting Started with PSoC® 4