BLDC電機(jī)與傳統(tǒng)有刷電機(jī)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(diǎn)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(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)適宜在無位置傳感器的條件下運(yùn)行，即通常所說的無傳感器運(yùn)行。

對(duì)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(diǎn)，針對(duì)這系列的需求，飛思卡爾半導(dǎo)體推出針對(duì)汽車三相無刷電機(jī)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(jī)控制解決方案，有助于加快從直流（DC）到BLDC電機(jī)的過渡。

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)汽車制造商不斷尋求可減輕汽車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)用開發(fā)真正的平臺(tái)解決方案。

圖1 S12ZVM集成方案

2 無傳感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)在于控制簡單，較低的MOS管開關(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)過比較器與給定的電壓進(jìn)行比較做過流保護(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)過過零點(diǎn)檢測(cè)算法來確定換向控制并計(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無傳感控制框圖

由于無法確切知道BLDC無傳感電機(jī)的初始位置，其啟動(dòng)過程要比帶Hall傳感器BLDC電機(jī)的啟動(dòng)過程復(fù)雜。如圖4所示，其啟動(dòng)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(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)必須采用開環(huán)控制，待有足以檢測(cè)到過零點(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，過零點(diǎn)由反向電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)所得。

圖4 BLDC無傳感控制啟動(dòng)流程