基于PSoC3芯片的無位置傳感器BLDC電機(jī)控制

摘要
       本文介紹基于新一代可編程片上系統(tǒng)芯片PSoC3(CY8C3866AXI-040)的無位置傳感器無刷電機(jī)（BLDC）控制方案 。PSoC3 片內(nèi)豐富的資源減少了BLDC無傳感器控制對(duì)外部器件的依賴。借助于片內(nèi)模擬多路選擇器，一個(gè)比較器模塊就能采樣三路反電勢(shì)信號(hào)。而比較器的時(shí)鐘同步功能可以在PWM高電平時(shí)刻對(duì)反電勢(shì)信號(hào)進(jìn)行采樣，并將之與母線電壓做比較以獲取反電勢(shì)過零點(diǎn)。此外，該芯片在處理電機(jī)控制的同時(shí)還可以處理電容感應(yīng)按鍵掃描以及與上位機(jī)通訊等任務(wù)。
Keyword： BLDC sensor-less control, Programmable system on chip
關(guān)鍵詞：無刷直流電機(jī)　無位置傳感器　可編程片上系統(tǒng)

引言
　　相比傳統(tǒng)的有刷直流電機(jī)而言，無刷直流電機(jī)（BLDC）用電控制裝置取代了電刷和換向器，提高了電機(jī)的可靠性，減小了電機(jī)的噪音，并且方便了電機(jī)的維護(hù)，正在許多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。無刷直流電機(jī)的換相是借助于安裝在電機(jī)定子上的位置傳感器（光學(xué)，磁性等元件）實(shí)現(xiàn)的。常用的三相六狀態(tài)120度控制方式保證在任何時(shí)刻有兩項(xiàng)繞組導(dǎo)通，另外一項(xiàng)繞組不導(dǎo)通。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到一定位置時(shí)，位置傳感器輸出信號(hào)發(fā)生變化提示控制器進(jìn)行換相。　其換相邏輯如圖1所示：

　　　
　　　　　　圖1　帶霍爾傳感器的無刷直流電機(jī)換相狀態(tài)圖

　然而，位置傳感器的使用帶來一些缺點(diǎn)：增加電機(jī)的成本和體積，增加了內(nèi)部連線降低了系統(tǒng)的抗干擾性，　在特定場(chǎng)合（高溫，強(qiáng)震動(dòng)，高腐蝕性）容易實(shí)效等。因而，近些年來，隨著控制芯片的性能的日益強(qiáng)大，無傳感器的BLDC電機(jī)控制逐漸成為研究熱點(diǎn)。
無傳感器的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)
無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制的關(guān)鍵技術(shù)在于轉(zhuǎn)子位置信息的獲取及估算方法。無位置傳感器檢測(cè)方法主要包括反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)法、反電動(dòng)勢(shì)三次諧波積分檢測(cè)法、續(xù)流二極管檢測(cè)法、反電動(dòng)勢(shì)積分法、磁鏈估計(jì)法、擴(kuò)展卡爾曼濾波法等。本文所采用的位置檢測(cè)方法為經(jīng)典的反電勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)法。其原理如下： 
    
                  
                       圖2 無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路拓?fù)?br />圖2為典型的三相星型連接的無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路拓?fù)?。Va， Vb，Vc為三相端電壓，Vn為中性點(diǎn)電壓。假定C相為非通電相，則根據(jù)電機(jī)方程有：
                                  (1)
                                                                
  其中E為反電勢(shì)，I為相電流，L為電感。
   A相電流與B相電流大小相等，流向相反。
       

 基于式（8）， 采樣端電壓可以推算出Ec的過零點(diǎn)。而種算法又有如下的細(xì)分算法：
1）  直接應(yīng)用式（8），同時(shí)用ADC去采樣三相電壓。
  2）在PWM 輸出信號(hào)為OFF時(shí)采樣非通電相電壓，將之與零電壓比較。

 
 因?yàn)樵诖藭r(shí)，由式（8）得到：
 
忽略二極管和功率管的保護(hù)壓降，Vc的過零點(diǎn)就是Ec的過零點(diǎn)。
3） 在PWM 輸出信號(hào)為OFF時(shí)采樣非通電相電壓，將之與母線電壓的一半比較。

在此時(shí)，
    
由式（8）得到：
 
所以，忽略二極管和功率管的保護(hù)壓降， Ec的過零點(diǎn)就是Vc與母線電壓一半比較翻轉(zhuǎn)的點(diǎn)。

 綜合上述算法，1）的算法簡(jiǎn)單明了，但對(duì)ADC模塊的要求較高，要求同時(shí)采多路電壓。并且需要ADC的采樣與PWM同步以消除PWM斬波所帶來的噪聲。2）的算法在低速時(shí)比較有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榈退贂r(shí)反電勢(shì)信號(hào)比較弱，這種算法的采樣區(qū)域恰為非通電相端電壓過零區(qū)域，無需對(duì)端電壓信號(hào)做縮小處理。但當(dāng)PWM 的占空比比較高時(shí)，由于可供采樣的時(shí)間點(diǎn)太短，容易造成采樣失敗，所以不太適合全速全載運(yùn)行的情形。 而3）種算法則具有較寬的調(diào)速范圍。 本文的實(shí)現(xiàn)方法就是采用了第三種方法，在PWM為ON的時(shí)候去比較非通電相電壓與半母線電壓。

PSoC3 芯片介紹
PSoC 是世界獨(dú)一無二的可編程嵌入式片上系統(tǒng)。它是在一片芯片上集成了可編程模擬和數(shù)字外設(shè)功能、內(nèi)存和一個(gè)微控制器。賽普拉斯的可擴(kuò)展PSoC 平臺(tái)可根據(jù)設(shè)計(jì)需要進(jìn)行調(diào)整，因此不必頻繁地更改設(shè)計(jì)來適應(yīng)不同的微控制器體系架構(gòu)。
PSoC1是第一代PSoC芯片，它的特點(diǎn)是借助經(jīng)過成本優(yōu)化的8位M8C CPU子系統(tǒng)，獲得優(yōu)異性能、可編程性和靈活性。易用的設(shè)計(jì)軟件無需編寫很多代碼或根本不需要編寫代碼，從而縮短了創(chuàng)建嵌入式解決方案的時(shí)間。
PSoC3在PSoC1的基礎(chǔ)上，賽普拉斯新推出地一款新架構(gòu)，高集成化芯片。它增加了新設(shè)計(jì)的高精度、可編程模擬模塊，單循環(huán)、通道式8位8051內(nèi)核和可配置的高性能數(shù)字系統(tǒng)。由于具有一個(gè)高性能8位8051RISC內(nèi)核（提供高達(dá)67MHz和33MIPS），PSoC3體系架構(gòu)可以比標(biāo)準(zhǔn)8051運(yùn)行速度快10倍之多。同時(shí)，片內(nèi)還配置了直接內(nèi)存訪問接口（DMA），加速了數(shù)據(jù)在片內(nèi)不同外設(shè)/內(nèi)存之間的傳輸，減少了CPU的開銷。
 CY8C3866AXI-040 是PSoC3 芯片家族中的一員，它的系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示：      

                 
           圖5  CY8C3866AXI-040的系統(tǒng)架構(gòu)
 圖的左邊部分為系統(tǒng)資源，包括CPU，DMA, 中斷控制器，內(nèi)存，電源管理器，內(nèi)置的I2C/USB等通訊模塊以及調(diào)試接口。中間部分為片上數(shù)字系統(tǒng)和模擬系統(tǒng)。數(shù)字系統(tǒng)包括24個(gè)可編程的通用數(shù)字模塊（UDB）和固化的計(jì)數(shù)器，PWM發(fā)生器等。而模擬系統(tǒng)包括ADC模塊，DAC模塊，比較器，運(yùn)算放大器以及通用的可編程模擬模塊。右邊部分為IO 的端口。IO口可以通過接口連接到任意的數(shù)字/模塊單元上。
 在本設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)用到的模塊包括：比較器，UDB模塊，DAC模塊等。
電機(jī)反電勢(shì)過零點(diǎn)的監(jiān)測(cè)
 利用CY8C3866AXI-040的片上資源，無刷電機(jī)的過零點(diǎn)監(jiān)測(cè)無需借助任何外部芯片。監(jiān)測(cè)的原理前面闡述過，即在PWM 輸出信號(hào)為OFF時(shí)采樣非通電相電壓，將之與母線電壓的一半比較。 此方案中PWM調(diào)制模式為對(duì)上側(cè)開關(guān)管進(jìn)行PWM調(diào)制，對(duì)下側(cè)橋臂采取恒通的方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。電機(jī)為24V，30W的低壓無刷電機(jī)。
 圖6為檢測(cè)反電勢(shì)過零所配置的片內(nèi)資源框圖：
 
                      圖6 反電勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)框圖
  A、B、C代表三相端電壓輸入。Half Vbus 為半母線電壓。 片內(nèi)的模擬信號(hào)選擇器（Analog Mux）會(huì)根據(jù)換相狀態(tài)動(dòng)態(tài)的切換所要采樣的非通電相。片內(nèi)的比較器具有時(shí)鐘同步觸發(fā)的功能。該功能使得比較器可以在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿采用輸入端信號(hào)并作比較操作。該設(shè)計(jì)中的時(shí)鐘信號(hào)來自于數(shù)字模塊中的PWM模塊的輸出。 這樣，比較器可以在PWM為高電平的時(shí)刻將端電壓與半母線電壓作比較。比較器的翻轉(zhuǎn)時(shí)刻即是反電勢(shì)過零點(diǎn)。而比較器的輸出翻轉(zhuǎn)時(shí)，可以觸發(fā)中斷，通知CPU作相應(yīng)的處理。 此實(shí)現(xiàn)方法原理簡(jiǎn)單，無需外部多路選擇器/鎖存器/比較器。
  另外，片上的比較器還具有滯回比較的功能。即比較器輸出器自上而下翻轉(zhuǎn)與自上而下翻轉(zhuǎn)的電壓并不完全一致，而是有一個(gè)10mV左右的滯回電壓。此功能可以避免比較器輸出受毛刺影響而被誤觸發(fā)，特別適用于夾帶許多噪音的反電勢(shì)信號(hào)過零檢測(cè)應(yīng)用。 圖7就是實(shí)驗(yàn)波形： 黃色波形為一相的端電壓波形，綠色部分為比較器輸出的方波波形。

 
                    圖7 反電勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)波形
 圖8為反電勢(shì)監(jiān)測(cè)部分的在PSoC Creator IDE中的原理圖設(shè)計(jì)。PSoC Creator 是賽普拉斯半導(dǎo)體為PSoC3 芯片打造的開發(fā)環(huán)境。 PSoC Creator 提供了原理圖開發(fā)界面，用戶可以將片上的模塊以原理圖的方式進(jìn)行互聯(lián)。
 
                  圖8 Creator中反電勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)的原理圖設(shè)計(jì)
BLDC的換相狀態(tài)機(jī)
 在圖1中，三相六狀態(tài)的無刷直流電機(jī)的換相過程通常由查表或者狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)。在通常的MCU平臺(tái)中，這部分的工作由軟件來完成。而在CY8C3866AXI-040片內(nèi)，換相邏輯切換是由硬件來來完成的。 這都?xì)w功于其內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)中的UDB模塊。
 UDB模塊的架構(gòu)如圖9所示：
 
                    圖9  UDB模塊的內(nèi)部架構(gòu)
 一個(gè)UDB模塊由2個(gè)小型的12C4 的PLD模塊，一個(gè)時(shí)鐘和狀態(tài)控制單元，一個(gè)微型數(shù)據(jù)處理器（Datapath）組成。UDB模塊可以動(dòng)態(tài)配置成為計(jì)數(shù)器，SPI，UART， 查找表，PWM發(fā)生器等數(shù)字器件。而UDB模塊相互之間可以互聯(lián)成為更為復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)。CY8C3866AXI-040片上有24個(gè)UDB模塊。

圖10為無刷電機(jī)換相狀態(tài)的片內(nèi)實(shí)現(xiàn)：

 
                  圖10  Creator中換相狀態(tài)控制的原理圖設(shè)計(jì)
 PWM_1 為UDB模塊配置而成的8 位PWM發(fā)生器。Sector_1 為控制寄存器，控制字包含了無刷電機(jī)六個(gè)狀態(tài)信息。LUT_1 為一個(gè)4*6的狀態(tài)表。它的輸入端為控制字和PWM輸出，輸出端為6路驅(qū)動(dòng)信號(hào)。狀態(tài)表中的配置如圖11所示：

 
                 圖11  LUT中換相真值表的配置
  此表實(shí)現(xiàn)的功能就是根據(jù)控制字（即電機(jī)位置扇區(qū)信息），將PWM調(diào)制信號(hào)按調(diào)制模式分配到6個(gè)驅(qū)動(dòng)管腳上上。 這個(gè)功能減少了CPU的開銷。特別地，如改變電機(jī)的PWM調(diào)制模式，舉個(gè)例子，將單管PWM模式改為雙管PWM模式，那么只要改變這個(gè)狀態(tài)表的配置就可以了。 
  對(duì)電機(jī)速度的計(jì)算，也可以通過由UDB配置的計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)。計(jì)數(shù)器的捕獲輸入信號(hào)即來自于Sector_1控制寄存器的控制字。每當(dāng)電機(jī)換相循環(huán)完成一次，即電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)電氣周期，計(jì)數(shù)器的值就置入緩沖區(qū)而當(dāng)前值被重值。

過流保護(hù)
  電機(jī)的過流保護(hù)可以保護(hù)電路板及電機(jī)免于大電流造成的發(fā)熱和損壞。過流保護(hù)的功能要求快速、準(zhǔn)確、靈活。CY8C3866AXI-040片內(nèi)的模擬模塊可以很好的實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。圖12為PSoC Creator中過流保護(hù)電流的設(shè)計(jì)：
 
                   圖12 Creator中過流保護(hù)電路的原理圖設(shè)計(jì)
CurrIn為采樣電阻上采樣的電流信號(hào)，PGA_OC為增益可調(diào)的放大器，它將流過采樣電阻上的電流信號(hào)進(jìn)行放大。 VDAC8_OC 為8位的數(shù)模轉(zhuǎn)換信號(hào)，它將用戶設(shè)置的最大電流閾值轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)。Comp_OC為比較器。比較器的輸出連到PWM模塊的Kill端。這樣，如果實(shí)際電流大于所設(shè)定的閾值時(shí)，比較器信號(hào)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，PWM輸出即被關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)了硬件保護(hù)功能。
PWM被關(guān)斷的模式也可以靈活的配置：
 
             圖13  PWM模塊中Kill信號(hào)的模式配置
  Disabled：      Kill信號(hào)不起作用
  Asynchronous ： 當(dāng)Kill信號(hào)有效時(shí)，保持關(guān)斷
  Single Cycle：   Kill信號(hào)只在當(dāng)前PWM周期有效
  Latched：       Kill信號(hào)一經(jīng)觸發(fā)，即使Kill信號(hào)恢復(fù)，模塊也一直保持關(guān)斷
  Min-Time：      Kill信號(hào)有效后，用戶可以設(shè)置模塊被關(guān)斷的時(shí)間周期

速度閉環(huán)調(diào)節(jié)
 
  速度閉環(huán)設(shè)計(jì)可以保證電機(jī)速度在負(fù)載，電壓等發(fā)生變化時(shí)，保持速度穩(wěn)定。最經(jīng)典的控制方法為PID控制，其公式如下：
 
    其中  為速度誤差， 為積分系數(shù)， 為比例系數(shù)。
   這種為絕對(duì)式PID控制，每次計(jì)算都把往次的結(jié)果累加起來，這增加了CPU的負(fù)擔(dān)。 而相對(duì)式PID則是一種改進(jìn)的方法：
 
這種方法只計(jì)算輸出量的增量，對(duì)于積分環(huán)節(jié)，也只計(jì)算本次的誤差，無需累加計(jì)算。這種算法時(shí)候與基于微控制器的數(shù)字控制系統(tǒng)。
用戶界面
本設(shè)計(jì)提供了多樣的用戶界面，以方面對(duì)電機(jī)控制參數(shù)的修改，并了解電機(jī)的狀態(tài)信息。
一種用戶界面是基于LCD面板和電容觸摸按鍵的，LCD面板為顯示接口，電容觸摸按鍵則是用戶輸入接口。電容觸摸按鍵是利用電容感應(yīng)技術(shù)，通過檢測(cè)手指與按鈕之間的電容來實(shí)現(xiàn)按鍵和旋鈕功能。如圖14所示，BT1和BT2是兩個(gè)電容觸摸按鍵，另外還有一個(gè)滑條可以動(dòng)態(tài)改變參數(shù)：
 
                       圖14  電容感應(yīng)滑條和按鍵
　　此用戶界面的狀態(tài)機(jī)如下：
 
　                    圖15  用戶界面的狀態(tài)機(jī)
電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向、最大電流、PID參數(shù)都可以借助上述用戶界面來設(shè)置。CY8C3866AXI-040　片內(nèi)的Capsense模塊以及LCD模塊能很方便的完成按鍵掃描已經(jīng)數(shù)據(jù)顯示。
另外，本設(shè)計(jì)還允許用戶通過UART接口由GUI來實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的監(jiān)控，這里就不做贅述。　
結(jié)語
基于PSoC3(CY8C3866AXI-040)的無位置傳感器BLDC電機(jī)控制利用片內(nèi)豐富的資源減少了BLDC無傳感器控制對(duì)外部器件的依賴。片內(nèi)模擬多路選擇器和比較器可以實(shí)現(xiàn)在PWM高電平時(shí)刻對(duì)反電勢(shì)信號(hào)進(jìn)行采樣。換相狀態(tài)機(jī)和過流保護(hù)功能完全可由片內(nèi)硬件模塊完成。此外，該芯片在處理電機(jī)控制的同時(shí)還具備強(qiáng)大的用戶界面接口功能。