3. 有傳感器無刷直流電機控制原理及主要商用控制方案分析

① 無刷直流電機控制原理

無刷直流（Brushless Direct Current， BLDC）電機正在汽車、家電、工業(yè)自動化、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。由于采用電子換相，BLDC電機具有更長的壽命和更小的運轉(zhuǎn)噪音。此外，隨著軟磁材料技術(shù)的進一步提高和價格的不斷下降，BLDC電機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電機擁有更好的機械特性和動態(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電機將獲得進一步的推廣。

從電機結(jié)構(gòu)原理上來說，BLDC電機定子和轉(zhuǎn)子磁場具有相同的頻率和轉(zhuǎn)速，因此是同步電機的一種。定子繞組可繞制成單相、兩相和三相，其中三相BLDC電機因輸出功率大、轉(zhuǎn)矩脈動小和效率高應(yīng)用最廣泛。本文的研究對象也將放在三相BLDC電機的控制系統(tǒng)上。

三相BLDC電機采用兩相順序通電模式產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，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。由于取消了自動換向的機械電刷，因此需要實時檢測轉(zhuǎn)子的空間位置，霍爾效應(yīng)傳感器因其較高的性價比和安裝方便被廣泛采用。對于兩相導(dǎo)通的三相BLDC電機來說，每個電周期分成6個不同的通電區(qū)間，因此需要三個霍爾傳感器來進行分區(qū)。圖2為典型的霍爾傳感器輸出信號與相應(yīng)的導(dǎo)通相之間的關(guān)系圖，霍爾傳感器的每一個變化都要求導(dǎo)通相的實時改變，電機即按照既定的邏輯連續(xù)順序運行。

圖2：霍爾傳感器信號與相繞組導(dǎo)通關(guān)系圖

② 無刷直流電機主要商用控制方案分析

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，達到換向的目的。

圖3為市場上的主流商用方案示意圖，通過簡單的分析我們可以發(fā)現(xiàn)MCU通過中斷服務(wù)程序來進行換相，在對電機電流的監(jiān)控上，電流信號由外部采樣及運放電路送入ADC后由軟件程序來比較判斷是否過流并關(guān)斷PWM輸出，保護電機及電路系統(tǒng)。

圖3：BLDC電機主流商用方案示意圖

總的說來，與永磁同步電機和步進電機相比，BLDC電機的控制較為簡單。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。通過進一步的分析可以發(fā)現(xiàn)，電機的換相和電流的監(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放電路，速度慢，成本較高且不可靠。此外，對霍爾傳感器失效的硬件檢測缺乏實時有效的手段，影響電機的安全運行。

4.基于PSoC4的無刷直流電機控制架構(gòu)及優(yōu)勢分析

PSoC4采用的ARM Cortex-M0高性能處理核心不僅能夠快速完成電機的閉環(huán)速度調(diào)節(jié)和其它相應(yīng)的控制運算，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更可以直接檢測霍爾信號的失效狀態(tài)，并立即關(guān)斷PWM輸出，迅速保護電機。

PSoC4內(nèi)部集成有支持比較器模式的運算放大器（Opamp）和可編程IDAC電流源，因此對電機電流的監(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。電機電流經(jīng)采樣電阻后進入片內(nèi)Opamp，放大后作為片內(nèi)比較器的正端輸入，比較器的負端輸入為片內(nèi)IDAC電流源產(chǎn)生的過流閾值基準。比較器輸出的跳變將直接關(guān)斷PWM輸出，保護電機。

圖4：基于PSoC4的無刷直流電機控制框圖

對比基于PSoC4的控制方案和當前市場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的順序換相和電流監(jiān)控，比軟件實現(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還可以直接檢測霍爾傳感器的失效狀態(tài)，并迅速保護電機，這也是其它廠商所不具備的重要功能。