引言
BLDC電機與傳統(tǒng)有刷電機相比，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)濟性，同時消除維護成本。由于電勵磁必須與轉(zhuǎn)子位置同步，因此BLDC電機在運行時，通常需要一個或多個轉(zhuǎn)子位置傳感器。由于成本、可靠性、機械包裝的原因，特別是當轉(zhuǎn)子在液體中運行時，電機適宜在無位置傳感器的條件下運行，即通常所說的無傳感器運行。
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，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)電機控制解決方案，有助于加快從直流(DC)到BLDC電機的過渡。
S12ZVM特點
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，因為這有助于提升燃油經(jīng)濟性。電子系統(tǒng)供應(yīng)商和電機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。這將允許客戶可重復(fù)使用硬件和軟件設(shè)計，為空調(diào)風機、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。
無傳感BLDC控制系統(tǒng)設(shè)計
如圖2所示，三相BLDC電機控制可采用三相六拍的控制方法，每隔60個電角度進行換向控制，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)點在于控制簡單，較低的MOS管開關(guān)損耗及較低的EMC噪音。
圖3為采用S12ZVM的無傳感BLDC控制系統(tǒng)設(shè)計框圖，除了三相橋與采樣電阻之外，整個控制都可以由S12ZVM內(nèi)部來實現(xiàn)。當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)部有運放可以對電流信號進行放大并通過AD模塊進行采樣，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行比較做過流保護。圖中藍色部分為S12ZVM的硬件模塊，而綠色部分則由軟件來實現(xiàn)功能。AD模塊采樣相電壓，DCBUS電壓和工作電流，經(jīng)過過零點檢測算法來確定換向控制并計算BLDC實際速度，速度環(huán)的PI控制器對實際速度和設(shè)定速度差值進行計算，從而決定PWM的占空比來控制BLDC電機轉(zhuǎn)動力矩，保證實際速度按照設(shè)定的速度運行。
由于無法確切知道BLDC無傳感電機的初始位置，其啟動過程要比帶Hall傳感器BLDC電機的啟動過程復(fù)雜。如圖4所示，其啟動過程包括Alignment階段，Open Loop Starting階段及最終的Run階段。在Alignment階段，控制器同時施加相同占空比的PWM給A相與B相，C相則與地相連，這樣就將BLDC電機穩(wěn)定在一個已知的位置。占空比的大小與持續(xù)的時間取決于BLDC電機特性和負載大小，通常持續(xù)時間在100ms到500ms之間。當Alignment過程結(jié)束后，就進入Open Loop Starting階段，由于反電動勢與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成正比，在極慢的轉(zhuǎn)速下反電動勢的幅值很低，很難檢測到過零點。因此，當電機從靜止狀態(tài)啟動時必須采用開環(huán)控制，待有足以檢測到過零點的反電動勢時，才轉(zhuǎn)而采用反電動勢檢測控制并進入Run階段。當進入到Run階段后，BLDC就采用速度閉環(huán)控制，過零點由反向電動勢檢測所得。
無傳感位置檢測實現(xiàn)
依靠Hall傳感器的運行實現(xiàn)起來非常容易，但除去Hall傳感器可降低系統(tǒng)成本并提高可靠性。BLDC電機轉(zhuǎn)動時，每個繞組都會產(chǎn)生叫做反電動勢的電壓，根據(jù)楞次定律，其方向與提供給繞組的主電壓相反。反電動勢主要取決于三個因素：轉(zhuǎn)子角速度，轉(zhuǎn)子磁體產(chǎn)生的磁場，定子繞組的匝數(shù)。
當采用傳感器時，MCU會根據(jù)Hall信號來決定BLDC換向點。當采用無傳感控制時，則可以采用反電動勢過零點檢測來決定正確的換向點，如圖5所示。
當在一個恒速情況下，切換周期等于過零點周期，圖中圈圈代表著過零點發(fā)生的地方，一般處在兩個切換點的中間。所以通過timer得出上一次過零點時間以及本次的過零點時間，就可以計算出正確的換向點。
其中：-實際過零點時間，-上次過零點時間，-下次換向點時間，-范圍在0.3~0.5的常數(shù)(取決于電機參數(shù))。
所以，成功檢測反電動勢過零點就決定了無傳感控制BLDC成功的關(guān)鍵。如圖6所示，通常有硬件和軟件兩種方式能檢測到反電動勢過零點。第一種是采用三個硬件比較器，在某切換周期中不加電的一相可以通過相應(yīng)的硬件比較器與1/2的Udcb電壓進行比較，在PWM周期中ON有效時，比較器能夠檢測到反向電動勢電壓變化從而得出過零點的位置。第二種方式可以用軟件AD采樣來實現(xiàn)，在BLDC電機運行過程中，使用ADC對不加電的一相進行采樣，與此同時Udcb會被另一路ADC模塊同時采樣，然后軟件可以實時地根據(jù)兩個采樣數(shù)值進行過零點判斷。
采用比較器的方式可以降低CPU的負擔，但軟件采樣的方式更加靈活，可以更加精確地檢測出過零點的位置。S12ZVM同時集成了實現(xiàn)上述兩種方式的硬件模塊，內(nèi)部包括三個相位比較器來實現(xiàn)硬件比較，AD模塊包括兩個獨立的ADC來實現(xiàn)軟件采樣，兩個ADC可以對反向電動勢電壓與Udcb電壓同時采樣，確保過零點檢測更加準確。
當采用軟件采樣的方式時，必須選擇合適的采樣點。圖7顯示在一個PWM周期中通電情況下反向電動勢電壓的變化情況。在PWM周期中ON有效時，SAtop管被打開接DCBUS,SCbot也打開與地相連。所以電流會從DCBUS經(jīng)過SAtop管流過A相與C相，再進過SCbot管流入地，可見三相的中間點電壓可以近似為DCBUS/2.此時在B相上產(chǎn)生基于DCBUS/2電壓的反向電動勢就可以被檢測出正向與反向，這也意味著過零點的電壓能夠被成功地檢測到。在PWM周期中處于OFF時，此時A相與C相的下橋分別與地相連，三相的中間點也就近似于與地相連，在這種情況就很難檢測到B相反電動勢的過零點。
由此可以發(fā)現(xiàn)，對反向電動勢的檢測只有在PWM周期中處于ON狀態(tài)時才能實現(xiàn)。對于AD模塊來說，就需要與PWM進行同步，配合定時延遲模塊，可以在PWM周期中ON狀態(tài)即將結(jié)束之前進行精確采樣。S12ZVM有PTU可編程觸發(fā)單元模塊，其內(nèi)部包含一個16bit計數(shù)器，兩個獨立的觸發(fā)發(fā)生器，可以配置高達32個觸發(fā)事件，同時可以根據(jù)PWM模塊的Reload事件來啟動PTU觸發(fā)過程。圖8可以很形象的理解無傳感檢測反向電動勢的采樣過程，PMF/PWM產(chǎn)生一個PWM Reload信號給PTU單元，PTU單元中的16bit Counter開始計數(shù)，PTU會在T2這個時間點產(chǎn)生一個觸發(fā)事件來觸發(fā)ADC0與ADC1分別對反向電動勢與DC bus電壓同時采樣，當ADC采樣轉(zhuǎn)換結(jié)束后就產(chǎn)生一個ADC中斷，在ADC中斷服務(wù)子程序中就可以做反向電動勢過零點的判斷等操作。
總結(jié)
本文詳細介紹了飛思卡爾S12ZVM混合集成芯片在車用BLDC中的應(yīng)用，其中包括S12ZVM的無傳感控制策略及啟動過程，同時也詳細介紹了反電動勢過零點檢測方法及策略。通過飛思卡爾S12ZVM單芯片電機控制解決方案，設(shè)計師可縮小產(chǎn)品尺寸、降低噪音并提升能效，加快車用BLDC控制器的開發(fā)過程。
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