基于PSoC4的BLDC電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　1. 引言

　　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，在性價(jià)比、功耗等方面優(yōu)勢顯著。更值得一提的是，PSoC4針對電機(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)入門級產(chǎn)品系列。本文即以CY8C4200為例，介紹如何在PSoC4上開發(fā)有傳感器的三相無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)。

　　2. PSoC4架構(gòu)及與電機(jī)控制相關(guān)的片內(nèi)簡介

　　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。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)。 如下圖1所示的是PSoC4的系統(tǒng)框圖。

　　圖1:PSoC4的系統(tǒng)框圖

　　PSoC4在開發(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的開發(fā)方法，控制系統(tǒng)架構(gòu)清晰具體，簡單快捷。用戶可以更多關(guān)注產(chǎn)品的功能開發(fā)，而較少的注意芯片的硬件結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。

　　3. 有傳感器無刷直流電機(jī)控制原理及主要商用控制案例分析

　?、?無刷直流電機(jī)控制原理

　　無刷直流(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)原理上來說，BLDC電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子磁場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，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。對于兩相導(dǎo)通的三相BLDC電機(jī)來說，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)霍爾傳感器來進(jìn)行分區(qū)。圖2為典型的霍爾傳感器輸出信號與相應(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2:霍爾傳感器信號與相繞組導(dǎo)通關(guān)系圖

　　② 無刷直流電機(jī)主要商用控制案例分析

　　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。概括說來，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2的邏輯來查表改變相應(yīng)的導(dǎo)通相，達(dá)到換向的目的。

　　圖3為市場上的主流商用方案示意圖，通過簡單的分析我們可以發(fā)現(xiàn)MCU通過中斷服務(wù)程序來進(jìn)行換相，在對電機(jī)電流的監(jiān)控上，電流信號由外部采樣及運(yùn)放電路送入ADC后由軟件程序來比較判斷是否過流并關(guān)斷PWM輸出，保護(hù)電機(jī)及電路系統(tǒng)。

　　圖3:BLDC電機(jī)主流商用方案示意圖

　　總的說來，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，對霍爾傳感器失效的硬件檢測缺乏實(shí)時(shí)有效的手段，影響電機(jī)的安全運(yùn)行

　　4.基于PSoC4的無刷直流電機(jī)控制架構(gòu)及優(yōu)勢分析

　　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2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，無須軟件干涉;此外，UDB更可以直接檢測霍爾信號的失效狀態(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4:基于PSoC4的無刷直流電機(jī)控制框圖