飛思卡爾S12ZVM混合集成芯片在車(chē)用BLDC中的應(yīng)用方案詳解 - 全文

BLDC電機(jī)與傳統(tǒng)有刷電機(jī)相比，具有更高的能效、更長(zhǎng)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(diǎn)使得BLDC愈來(lái)愈多地出現(xiàn)在汽車(chē)應(yīng)用中，用來(lái)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(jì)性，同時(shí)消除維護(hù)成本。由于電勵(lì)磁必須與轉(zhuǎn)子位置同步，因此BLDC 電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，通常需要一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)子位置傳感器。由于成本、可靠性、機(jī)械包裝的原因，特別是當(dāng)轉(zhuǎn)子在液體中運(yùn)行時(shí)，電機(jī)適宜在無(wú)位置傳感器的條件下運(yùn)行，即通常所說(shuō)的無(wú)傳感器運(yùn)行。

對(duì)于汽車(chē)用BLDC控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，希望能做到PCB尺寸小，BOM成本低以及簡(jiǎn)單可靠，低功耗等特點(diǎn)，針對(duì)這系列的需求，飛思卡爾半導(dǎo)體推出針對(duì)汽車(chē)三相無(wú)刷電機(jī)的單芯片解決方案S12ZVM家族。S12ZVM是目前市場(chǎng)上集成度最高的無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)控制解決方案，有助于加快從直流（DC）到BLDC電機(jī)的過(guò)渡。

1 S12ZVM特點(diǎn)

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(dòng)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(gè)系統(tǒng)元素結(jié)合到一個(gè)單芯片解決方案中，如圖1。通常實(shí)現(xiàn)這四個(gè)功能需要兩至四個(gè)芯片。與其它分立式解決方案相比，飛思卡爾通過(guò)片上集成將印刷電路板所占物理空間減少了50%。同時(shí)汽車(chē)制造商不斷尋求可減輕汽車(chē)重量和降低功耗的方法，因?yàn)檫@有助于提升燃油經(jīng)濟(jì)性。電子系統(tǒng)供應(yīng)商和電機(jī)制造商也正在迎合這一趨勢(shì)，但是在面對(duì)定制的解決方案時(shí)，他們獲得的解決方案往往不是最優(yōu)的，或不具有可擴(kuò)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(chǔ)器容量和封裝選項(xiàng)。 這將允許客戶(hù)可重復(fù)使用硬件和軟件設(shè)計(jì)，為空調(diào)風(fēng)機(jī)、雨刮器、燃油泵和水泵等應(yīng)用開(kāi)發(fā)真正的平臺(tái)解決方案。

圖1 S12ZVM集成方案

2 無(wú)傳感BLDC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖2所示，三相BLDC電機(jī)控制可采用三相六拍的控制方法，每隔60個(gè)電角度進(jìn)行換向控制，同時(shí)對(duì)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(diǎn)在于控制簡(jiǎn)單，較低的MOS管開(kāi)關(guān)損耗及較低的EMC噪音。

圖2 三相六拍單極性控制策略

圖3為采用S12ZVM的無(wú)傳感BLDC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖，除了三相橋與采樣電阻之外，整個(gè)控制都可以由S12ZVM內(nèi)部來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)采用三相六拍控制策略時(shí)，只需要一個(gè)采樣電阻來(lái)檢測(cè)電流的大小，S12ZVM內(nèi)部有運(yùn)放可以對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行放大并通過(guò)AD模塊進(jìn)行采樣，同時(shí)還可以將放大的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)比較器與給定的電壓進(jìn)行比較做過(guò)流保護(hù)。圖中藍(lán)色部分為S12ZVM的硬件模塊，而綠色部分則由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)功能。AD模塊采樣相電壓，DCBUS電壓和工作電流，經(jīng)過(guò)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)算法來(lái)確定換向控制并計(jì)算BLDC實(shí)際速度，速度環(huán)的PI控制器對(duì)實(shí)際速度和設(shè)定速度差值進(jìn)行計(jì)算，從而決定PWM的占空比來(lái)控制BLDC電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，保證實(shí)際速度按照設(shè)定的速度運(yùn)行。

圖3 S12ZVM BLDC無(wú)傳感控制框圖

由于無(wú)法確切知道BLDC無(wú)傳感電機(jī)的初始位置，其啟動(dòng)過(guò)程要比帶Hall傳感器BLDC電機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程復(fù)雜。如圖4所示，其啟動(dòng)過(guò)程包括Alignment階段，Open Loop Starting階段及最終的Run階段。在A(yíng)lignment階段，控制器同時(shí)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(jī)穩(wěn)定在一個(gè)已知的位置。占空比的大小與持續(xù)的時(shí)間取決于BLDC電機(jī)特性和負(fù)載大小，通常持續(xù)時(shí)間在100ms到500ms之間。當(dāng)Alignment過(guò)程結(jié)束后，就進(jìn)入Open Loop Starting階段，由于反電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成正比，在極慢的轉(zhuǎn)速下反電動(dòng)勢(shì)的幅值很低，很難檢測(cè)到過(guò)零點(diǎn)。因此，當(dāng)電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)啟動(dòng)時(shí)必須采用開(kāi)環(huán)控制，待有足以檢測(cè)到過(guò)零點(diǎn)的反電動(dòng)勢(shì)時(shí)，才轉(zhuǎn)而采用反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)控制并進(jìn)入Run階段。當(dāng)進(jìn)入到Run階段后，BLDC就采用速度閉環(huán)控制，過(guò)零點(diǎn)由反向電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)所得。

圖4 BLDC無(wú)傳感控制啟動(dòng)流程

3 無(wú)傳感位置檢測(cè)實(shí)現(xiàn)

依靠Hall傳感器的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)起來(lái)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(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每個(gè)繞組都會(huì)產(chǎn)生叫做反電動(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)主要取決于三個(gè)因素：轉(zhuǎn)子角速度，轉(zhuǎn)子磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)，定子繞組的匝數(shù)。

當(dāng)采用傳感器時(shí)，MCU會(huì)根據(jù)hall信號(hào)來(lái)決定BLDC換向點(diǎn)。當(dāng)采用無(wú)傳感控制時(shí)，則可以采用反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)來(lái)決定正確的換向點(diǎn)，如圖5所示。

圖5 BLDC反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)

當(dāng)在一個(gè)恒速情況下，切換周期等于過(guò)零點(diǎn)周期，途中圈圈待表著過(guò)零點(diǎn)發(fā)生的地方，一般處在兩個(gè)切換點(diǎn)的中間。所以通過(guò)timer得出上一次過(guò)零點(diǎn)時(shí)間以及本次的過(guò)零點(diǎn)時(shí)間，就可以計(jì)算出正確的換向點(diǎn)。

其中： –實(shí)際過(guò)零點(diǎn)時(shí)間， –上次過(guò)零點(diǎn)時(shí)間， –下次換向點(diǎn)時(shí)間， –范圍在0.3-0.5的常數(shù) （取決于電機(jī)參數(shù)）。

所以，成功檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)就決定了無(wú)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來(lái)能檢測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)。第一種是采用三個(gè)硬件比較器，在某切換周期中不加電的一相可以通過(guò)相應(yīng)的硬件比較器與1/2的Udcb電壓進(jìn)行比較，在PWM周期中On有效時(shí)，比較器能夠檢測(cè)到反向電動(dòng)勢(shì)電壓變化從而得出過(guò)零點(diǎn)的位置。第二種方式可以用軟件AD采樣來(lái)實(shí)現(xiàn)，在BLDC電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，使用ADC對(duì)不加電的一相進(jìn)行采樣，與此同時(shí)Udcb會(huì)被另一路ADC模塊同時(shí)采樣，然后軟件可以實(shí)時(shí)的根據(jù)兩個(gè)采樣數(shù)值進(jìn)行過(guò)零點(diǎn)判斷。

圖6 BLDC反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)方法

采用比較器的方式可以降低CPU的負(fù)擔(dān)，但軟件采樣的方式更加的靈活，可以更加精確檢測(cè)出過(guò)零點(diǎn)的位置。S12ZVM同時(shí)集成了實(shí)現(xiàn)上述兩種方式的硬件模塊，內(nèi)部包括三個(gè)相位比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件比較，AD模塊包括兩個(gè)獨(dú)立的AD convertor來(lái)實(shí)現(xiàn)軟件采樣，兩個(gè)AD convertor可以對(duì)反向電動(dòng)勢(shì)電壓與Udcb電壓的同時(shí)采樣，確保過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)更加的準(zhǔn)確。

當(dāng)采用軟件采樣的方式時(shí)，必須要選擇合適的采樣點(diǎn)。圖7顯示在一個(gè)PWM周期中通電情況下反向電動(dòng)勢(shì)電壓的變化情況。在PWM周期中ON有效時(shí)，SAtop管被打開(kāi)接DCBUS，SCbot也打開(kāi)與地相連。所以電流會(huì)從DCBUS經(jīng)過(guò)SAtop管流過(guò)A相與C相，再進(jìn)過(guò)SCbot管流入地，可見(jiàn)三相的中間點(diǎn)電壓可以近似為DCBUS/2。此時(shí)在B相上產(chǎn)生基于DCBUS/2電壓的反向電動(dòng)勢(shì)就可以被檢測(cè)出正向與反向，這也意味著過(guò)零點(diǎn)的電壓能夠被成功的檢測(cè)到。在PWM周期中處于OFF時(shí)，此時(shí)A相與C相的下橋分別與地相連，三相的中間點(diǎn)也就近似于與地相連，在這種情況就很難檢測(cè)到B相反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)。

圖7 BLDC反電動(dòng)勢(shì)采樣點(diǎn)

由此可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)反向電動(dòng)勢(shì)的檢測(cè)只有在PWM周期中處于ON狀態(tài)時(shí)才能實(shí)現(xiàn)。對(duì)于A(yíng)D模塊來(lái)說(shuō)，就需要與PWM進(jìn)行同步，配合定時(shí)延遲模塊，可以在PWM周期中ON狀態(tài)即將結(jié)束之前進(jìn)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(gè)16bit計(jì)數(shù)器，兩個(gè)獨(dú)立的觸發(fā)發(fā)生器，可以配置高達(dá)32個(gè)觸發(fā)事件，同時(shí)可以根據(jù)PWM模塊的Reload事件來(lái)啟動(dòng)PTU觸發(fā)過(guò)程。圖8可以很形象的理解無(wú)傳感檢測(cè)反向電動(dòng)勢(shì)的采樣過(guò)程，PMF/PWM產(chǎn)生一個(gè)PWM Reload信號(hào)給PTU單元，PTU單元中的16bit Counter開(kāi)始計(jì)數(shù)，PTU會(huì)在T2這個(gè)時(shí)間點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)事件來(lái)觸發(fā)ADC0與ADC1分別對(duì)反向電動(dòng)勢(shì)與DC bus電壓同時(shí)采樣，當(dāng)ADC采樣轉(zhuǎn)換結(jié)束后就產(chǎn)生一個(gè)ADC中斷，在A(yíng)DC中斷服務(wù)子程序中就可以做反向電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)的判斷等操作。

圖8 BLDC反電動(dòng)勢(shì)采樣策略

4 總結(jié)

本文詳細(xì)介紹了飛思卡爾S12ZVM混合集成芯片在車(chē)用BLDC中的應(yīng)用，其中包括S12ZVM的無(wú)傳感控制策略及啟動(dòng)過(guò)程，同時(shí)也詳細(xì)介紹了反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)方法及策略。通過(guò)飛思卡爾S12ZVM單芯片電機(jī)控制解決方案，設(shè)計(jì)師可縮小產(chǎn)品尺寸、降低噪音并提升能效，加快車(chē)用BLDC控制器的開(kāi)發(fā)過(guò)程。