用于驅(qū)動(dòng)無傳感器 BLDC 電機(jī)的優(yōu)化控制方案

我們將討論用于驅(qū)動(dòng)無傳感器 BLDC 電機(jī)的優(yōu)化控制方案，并展示微控制器外設(shè)互操作在這些應(yīng)用中的重要性和優(yōu)勢。我們還將向您介紹一些可用于無傳感器 BLDC 電機(jī)控制應(yīng)用的最新微控制器。

隨著對提高效率和可靠性的要求不斷提高，無刷直流 (BLDC) 電機(jī)的使用在過去幾年穩(wěn)步增加。白色家電、汽車、冷卻、航空航天、醫(yī)療和工業(yè)自動(dòng)化等行業(yè)的變速電機(jī)應(yīng)用現(xiàn)在正在使用 BLDC 電機(jī)，而不是其他類型的電機(jī)，例如有刷直流和交流感應(yīng)電機(jī)。由于 BLDC 電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備更加復(fù)雜，半導(dǎo)體行業(yè)已經(jīng)為這些應(yīng)用提供了更具成本效益的解決方案。

BLDC 電機(jī)有多種控制方法；使用哪種方法的決定取決于應(yīng)用程序的要求。在基于傳感器的 BLDC 控制應(yīng)用中，霍爾效應(yīng)元件集成到電機(jī)中，用于檢測轉(zhuǎn)子位置以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)同步。通常使用三個(gè)霍爾傳感器；每個(gè)傳感器為 180° 的電動(dòng)旋轉(zhuǎn)提供高信號(hào)，為其他 180° 提供低信號(hào)。三個(gè)傳感器相隔 120° 放置，從而將旋轉(zhuǎn)分為六個(gè)階段（即六步換向）。微控制器從這三個(gè)傳感器讀取此信息以確定轉(zhuǎn)子的位置。在這個(gè)方案中，微控制器始終知道轉(zhuǎn)子位置 - 即使在電機(jī)停止時(shí) - 并且可以輕松確定控制回路所需的正確換向順序。然而，這種方案伴隨著霍爾效應(yīng)傳感器的成本損失——更不用說制造這些電機(jī)所需的額外組裝和接線步驟。

相比之下，更具成本效益的無傳感器控制方案采用反電動(dòng)勢信號(hào)檢測，該信號(hào)由 BLDC 電機(jī)中未通電的相繞組產(chǎn)生（感應(yīng)）；該信號(hào)信息用于同步控制回路的時(shí)序。實(shí)際上，可以取消霍爾傳感器，但推論是轉(zhuǎn)子必須首先移動(dòng)（以產(chǎn)生反電動(dòng)勢），然后才能獲得任何位置信息。盡管這個(gè)特殊問題確實(shí)限制了可以使用無傳感器控制方案的應(yīng)用類型，但仍有許多有效的最終產(chǎn)品可以利用其較低的成本。例如，風(fēng)扇和鼓風(fēng)機(jī)是此類控制方案的絕佳選擇。

目前市場上有許多基于微控制器的解決方案，從簡單的低成本 8 位設(shè)備到更高性能的 16 位和 32 位設(shè)備，它們都具有驅(qū)動(dòng)無傳感器 BLDC 電機(jī)所需的最少外圍設(shè)備：一個(gè) 3相位脈寬調(diào)制器 (PWM) 用于控制電機(jī)相位、用于檢測反電動(dòng)勢的 ADC 以及用于過流保護(hù)的比較器。

但是，由于集成在 MCU 上的外設(shè)集是將其定位到應(yīng)用程序的關(guān)鍵，因此這些外設(shè)的互操作會(huì)極大地影響 MCU 在應(yīng)用程序中的性能。由于自主外設(shè)能夠在沒有 CPU 干預(yù)的情況下提供應(yīng)用程序所需的服務(wù)，因此 MIPS 等術(shù)語變得更加無意義。

例如，Zilog 最近發(fā)布了 Z16FMC 系列 16 位微控制器，除了 4 個(gè)鏈表 DMA 通道之外，它還提供 ADC 和定時(shí)器之間以及比較器和 PWM 輸出之間的自動(dòng)互操作。

BLDC 電機(jī)的無傳感器控制需要具有快速中斷響應(yīng)的微控制器來實(shí)時(shí)處理 PWM 更新。對于需要高速串行通信、PWM 解調(diào)、復(fù)雜用戶界面和顯示控制等附加功能的應(yīng)用，核心電機(jī)控制外設(shè)自主運(yùn)行的能力變得至關(guān)重要。

Z16FMC 電機(jī)控制 MCU 框圖

Z16FMC MCU 特性

Z16FMC MCU 包括以下功能：

• 20 MHz ZNEO CPU
• 具有 16 位訪問和在線編程 (ICP) 功能的 128 KB 內(nèi)部閃存
• 具有 16 位訪問權(quán)限的 4 KB 內(nèi)部 RAM
• 允許無縫連接到外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和外圍設(shè)備的外部接口：
• ISA 兼容模式
• 12 通道、10 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)
• 運(yùn)算放大器
• 模擬比較器
• 支持內(nèi)部或外部 DMA 請求的 4 通道直接內(nèi)存訪問 (DMA) 控制器
• 一個(gè)全雙工 9 位通用異步接收器/發(fā)送器 (UART)，支持本地互連網(wǎng)絡(luò) (LIN) 和紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì) (IrDA)
• 內(nèi)部精密振蕩器 (IPO)
• 內(nèi)部集成電路 (I2C) 主/從控制器
• 增強(qiáng)型串行外設(shè)接口 (ESPI)
• 12 位脈寬調(diào)制 (PWM) 模塊，具有三個(gè)互補(bǔ)對或六個(gè)獨(dú)立的 PWM 輸出，帶有死區(qū)生成和故障跳閘輸入
• 三個(gè)具有捕捉、比較和 PWM 功能的標(biāo)準(zhǔn) 16 位定時(shí)器
• 帶內(nèi)部 RC 振蕩器的看門狗定時(shí)器 (WDT)
• 76 個(gè)通用輸入/輸出 (GPIO) 引腳
• 24 個(gè)具有可編程優(yōu)先級(jí)的中斷
• 片上調(diào)試器 (OCD)
• 電壓掉電 (VBO) 保護(hù)
• 上電復(fù)位 (POR)
• 2.7 V 至 3.6 V 工作電壓，具有 5 V 容限輸入
• 0°C 至 +70°C 標(biāo)準(zhǔn)溫度和 –40°C 至 +105°C 擴(kuò)展溫度工作范圍

12 位 PWM 模塊具有三個(gè)互補(bǔ)對或六個(gè)獨(dú)立的 PWM 輸出，支持可編程死區(qū)和故障保護(hù)跳閘輸入以提供輸出控制；而 ADC 的轉(zhuǎn)換時(shí)間為 2 μs，可以由 PWM 模塊自動(dòng)觸發(fā)。特殊的時(shí)間戳功能基于 ADC 采樣/保持自動(dòng)捕獲 16 位定時(shí)器值。

外設(shè)互操作

集成在 MCU 上的外設(shè)集對于將其優(yōu)化到應(yīng)用程序至關(guān)重要，但這些外設(shè)的互操作會(huì)極大地影響 MCU 在應(yīng)用程序中的性能。Z16FMC 系列提供鏈表 DMA 和 ADC 和定時(shí)器（時(shí)間戳功能）之間以及比較器和 PWM 輸出（故障響應(yīng)）之間的自動(dòng)互操作。

脈寬調(diào)制時(shí)序

鏈表DMA

直接內(nèi)存訪問是一種允許數(shù)據(jù)在獨(dú)立于 CPU 的總線上傳輸?shù)墓δ?。Linked List DMA 通過使用提供源和目標(biāo)信息的描述符以及指向下一個(gè)描述符的鏈接將這個(gè)簡單的概念提升到另一個(gè)層次，以進(jìn)一步降低 CPU 的開銷和實(shí)時(shí)響應(yīng)要求。

此外，Z16F 內(nèi)核的多總線結(jié)構(gòu)允許在從程序總線獲取指令的同時(shí)通過數(shù)據(jù)總線傳輸數(shù)據(jù)，進(jìn)一步降低了事務(wù)的開銷。

在無傳感器 BLDC 和更復(fù)雜的永磁同步電機(jī)和矢量控制應(yīng)用中，有兩種基本方法可以利用此功能：

當(dāng) CPU 處理所有其他系統(tǒng)級(jí)任務(wù)時(shí)，DMA 可用于自動(dòng)更新電機(jī)控制 PWM 定時(shí)器。存儲(chǔ)在 RAM 中的波表由 CPU 根據(jù)需要更新，但將數(shù)據(jù)發(fā)送到 PWM 模塊的行為由 DMA 處理。結(jié)果，CPU 從以 PWM 頻率的速率處理中斷的任務(wù)中解放出來。

DMA 可用于卸載 CPU 并處理串行通信，以優(yōu)化對 PWM 控制器的實(shí)時(shí)響應(yīng)。

速度控制的時(shí)間戳功能

大多數(shù)微控制器至少使用一個(gè)專用比較器來檢測輸入反電動(dòng)勢電壓信號(hào)的過零，以便可以同步和調(diào)整輸出驅(qū)動(dòng)脈沖以正確調(diào)節(jié)電機(jī)速度。另一種基于 Zilog 電機(jī)控制 MCU 的方法通過將 ADC 與定時(shí)器互連，從而無需此比較器。

在這種情況下，定時(shí)器用于在反電動(dòng)勢電壓與總線電壓交叉的點(diǎn)生成中斷。在此中斷期間，計(jì)時(shí)器繼續(xù)在后臺(tái)運(yùn)行，并對反電動(dòng)勢和總線電壓進(jìn)行采樣。計(jì)時(shí)器值根據(jù)電壓（和電機(jī)方向）之間的差異進(jìn)行更新，以將其鎖定到電機(jī)的實(shí)際速度上。此事件用于確定換向點(diǎn)并更新 PWM 以有效調(diào)節(jié)電機(jī)速度。這種時(shí)間戳方法為電機(jī)在穩(wěn)態(tài)下的平穩(wěn)運(yùn)行提供了一種非常簡單且具有成本效益的解決方案。

穩(wěn)態(tài)速度控制的時(shí)間戳

故障響應(yīng)

過流故障可能由許多不同的原因引起，有時(shí)具有破壞性。電機(jī)繞組短路、電機(jī)引線短路、機(jī)械驅(qū)動(dòng)和連桿問題、轉(zhuǎn)子卡住或負(fù)載變化、功率設(shè)備故障或失火以及許多其他問題都可能出現(xiàn)——其中一些是永久性的，一些只是暫時(shí)的。Z16FMC 系列具有直接耦合到 PWM 模塊的過流比較器，從而保證可以真正以逐周期模式關(guān)閉。這種方法確保響應(yīng)故障條件時(shí)的延遲最小。

在圖 4 中，檢測電阻器上的電流產(chǎn)生的電壓提供給比較器的負(fù)輸入端。您可以看到，隨著檢測電阻兩端產(chǎn)生的電壓增加到比較器閾值，PWM 輸出立即被驅(qū)動(dòng)為低電平，直到下一個(gè)周期。一旦電壓低于閾值，下一個(gè) PWM 周期就會(huì)正常生成。

PWM 對過流故障的響應(yīng)

升級(jí)路徑

Z16FMC 電機(jī)控制系列提供了從 Z8FMC16100 系列向上遷移的絕佳路徑，也適用于永磁同步電機(jī) (PMSM) 和交流矢量控制應(yīng)用。

開發(fā)套件

Zilog 提供的無傳感器 BLDC 開發(fā)套件基于 Z16FMC28 器件并使用高效 IXYS MOSFET 為控制 30W 三相 BLDC 電機(jī)提供非常經(jīng)濟(jì)的解決方案。它隨附以下內(nèi)容：

• Z16FMC28系列MDS開發(fā)板
• BLDC 電機(jī)控制應(yīng)用板
• 無刷直流 (BLDC) 電機(jī)
• 光隔離 USB 智能數(shù)據(jù)線
• 5V直流通用電源
• 帶有完整 ANSI C 編譯器的 Zilog Developer Studio II IDE

示例代碼

所有源代碼均隨開發(fā)套件 (Z16FMC28200KITG) 一起提供，可從 Zilog 分銷商處購買。有關(guān)詳細(xì)信息，請?jiān)L問 Zilog 網(wǎng)站：http://www.zilog.com。

參考設(shè)計(jì)操作

兩個(gè)電機(jī)相在任何給定時(shí)間通電，并且在未通電的相繞組中產(chǎn)生反電動(dòng)勢電壓。檢測該感應(yīng)電壓的過零以同步后續(xù)閉環(huán)控制事件。Z8FMC16100 MCU 的時(shí)間戳功能可以穩(wěn)健、高效地實(shí)現(xiàn)這一關(guān)鍵傳感功能，而無需額外的比較器。反電動(dòng)勢感應(yīng)算法基于鎖相環(huán) (PLL) 的實(shí)現(xiàn)。這種實(shí)現(xiàn)在啟動(dòng)期間特別有利，導(dǎo)致電機(jī)速度非常平穩(wěn)地增加，以及根據(jù)命令幾乎瞬時(shí)反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)方向。使用傳統(tǒng)方法，在啟動(dòng)序列期間，向繞組通電，以便將轉(zhuǎn)子置于已知的起始位置，然后進(jìn)行換向并啟動(dòng)反電動(dòng)勢傳感和控制。相比之下，基于 PLL 的方法可以從啟動(dòng)階段開始鎖定反電動(dòng)勢信號(hào)，而無需將轉(zhuǎn)子初始放置在特定位置。此外，這種方法顯著減少了電機(jī)在啟動(dòng)或方向反轉(zhuǎn)期間的突然運(yùn)動(dòng)。

Z8FMC16100 參考設(shè)計(jì)

編輯：hfy