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(tái)，在性價(jià)比、功耗等方面優(yōu)勢(shì)顯著。更值得一提的是，PSoC4針對(duì)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(jí)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(jiǎn)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(tái)。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(jiǎn)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

① 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(zhǎng)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(chǎng)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(duì)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(chǎng)，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(cè)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(duì)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(hào)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(hào)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(chǎng)上的主流商用方案示意圖，通過簡(jiǎn)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(duì)電機(jī)電流的監(jiān)控上，電流信號(hào)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(jiǎn)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(duì)霍爾傳感器失效的硬件檢測(cè)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(shì)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(cè)霍爾信號(hào)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(duì)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

對(duì)比基于PSoC4的控制方案和當(dāng)前市場(chǎng)上的主流商用方案我們不難發(fā)現(xiàn)，PSoC4由于集成了豐富的片內(nèi)模擬和數(shù)字資源，可以完全用片內(nèi)的硬件來完成無刷直流電機(jī)的順序換相和電流監(jiān)控，比軟件實(shí)現(xiàn)更加快速可靠，且節(jié)省了可觀的片外有源器件的成本。此外，片內(nèi)的UDB還可以直接檢測(cè)霍爾傳感器的失效狀態(tài)，并迅速保護(hù)電機(jī)，這也是其它廠商所不具備的重要功能。

5. 基于PSoC4 的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

① 控制原理圖設(shè)計(jì)

依據(jù)圖4的控制框圖，我們?cè)O(shè)計(jì)了圖5所示的在PSoC Creator環(huán)境下的BLDC電機(jī)控制原理圖。

霍爾信號(hào)經(jīng)I/O引腳后直接輸入U(xiǎn)DB換相邏輯表LUT_Cmut直接驅(qū)動(dòng)三相全橋電路，完成電機(jī)的硬件換相。同時(shí)霍爾信號(hào)也同步輸入另一個(gè)UDB邏輯表LUT_Spd,實(shí)現(xiàn)霍爾傳感器的失效狀態(tài)檢測(cè)并完成電機(jī)的速度檢測(cè)。

電機(jī)電流經(jīng)采樣電路后輸入片內(nèi)運(yùn)放Opamp_1,經(jīng)運(yùn)放和濾波后輸入片內(nèi)比較器，與片內(nèi)IDAC產(chǎn)生的過流閾值基準(zhǔn)進(jìn)行比較，反轉(zhuǎn)后將直接關(guān)斷PWM輸出，通過換相邏輯表LUT_Cmut來使電機(jī)斷電。

圖5:步進(jìn)電機(jī)控制原理圖

② 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于采用了PSoC4片內(nèi)硬件進(jìn)行換相、霍爾失效檢測(cè)和過流檢測(cè)保護(hù)，因此系統(tǒng)的的軟件設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)捷，只需讀取用戶命令和完成速度閉環(huán)調(diào)節(jié)等即可。圖6為控制系統(tǒng)主程序流程框圖。

圖6:主程序流程圖

控制主程序首先初始化和配置PSoC4的內(nèi)部資源，在主循環(huán)中首先檢測(cè)用戶的起停命令和速度給定，在執(zhí)行速度閉環(huán)PI調(diào)節(jié)。最后檢測(cè)母線電壓狀態(tài)。

③ 控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

完成系統(tǒng)前述的系統(tǒng)原理圖和程序設(shè)計(jì)后，在PSoC Creator環(huán)境下編譯BLDC電機(jī)控制工程，并連接PSoC4開發(fā)板，三相全橋驅(qū)動(dòng)板與BLDC電機(jī)，通電后電機(jī)可正常運(yùn)行。圖7顯示電機(jī)運(yùn)行在4000RPM時(shí)的霍爾信號(hào)與三相繞組反電動(dòng)勢(shì)波形。通道1,2,3分別為相繞組A,B,C反電動(dòng)勢(shì)波形。

由圖可以看出，BLDC電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，反電動(dòng)勢(shì)為標(biāo)準(zhǔn)的梯形波。

圖7: 三相霍爾信號(hào)與繞組反電動(dòng)勢(shì)波形

6. 小結(jié)

本文主要介紹了如何在Cypress推出的PSoC家族的最新成員PSoC4平臺(tái)上開發(fā)有傳感器BLDC電機(jī)控制系統(tǒng)。本文的設(shè)計(jì)過程說明，PSoC4片內(nèi)集成的豐富資源使BLDC電機(jī)的換相和霍爾失效檢測(cè)都可以由內(nèi)部硬件來完成，簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)并提高了可靠性。此外，片內(nèi)集成的運(yùn)放和比較器將電流檢測(cè)和保護(hù)也放在芯片內(nèi)部完成，使過流檢測(cè)反應(yīng)速度更快并進(jìn)一步降低了成本。因此，用戶可以使用PSoC4設(shè)計(jì)出具有優(yōu)異性能和較低價(jià)格的有傳感器BLDC電機(jī)控制系統(tǒng)和產(chǎn)品。