硬體實現的BLDC無位置感測器控制器

作者：李詩念

直流無刷電機（BLDC）具有體積小、效率高、可靠性高等優點，在工業，汽車，航空航天等諸多行業得以越來越廣泛的應用。永磁同步電動機無感測器控制技術不但能夠降低系統成本，而且能夠增加系統可靠性，是當前電機控制技術領域的研究熱點之一。Infineon針對汽車市場，推出了基於ARM核的TLE987x,TLE986x微處理器。該處理器集成了BLDC控制相關的眾多外設，比如反電勢檢測，三相六拍控制的換相邏輯，MOSFET的前置驅動等。在加入簡單的軟體控制就能實現對BLDC的無位置感測器控制。

• 前言

無刷直流（BLDC）電機與傳統的直流電機相比具有能量轉換效率高、易於維護、質量小、體積小、更易於控制轉速和更高的壽命等優點。在汽車應用中，往往要求電機驅動控制器體積小，結構簡單可靠，儘可能少的維護。基於BLDC的電機控制系統敲好能夠契合這樣一些要求，因此BLDC在汽車應用中得以快速的發展。

在早先的汽車應用中，中央控制器發出開關信號來控制繼電器的通斷，繼電器通過一根長長的導線連接一個直流電機。在這類控制系統中，直流電機不能調速，多餘的能量因此被白白浪費，而且連接電機的長導線也會損耗很多的能量。

伴隨半導體技術的進步，繼電器逐漸被替換成電子開關（如MOSFET等），通過PWM的電子開關的導通時間實現調節電機的轉速從而達到節能的目的。這類控制器也有一根長導線，同樣會有能耗，並且導線的PWM極易受到干擾造成電機的不正常工作，同時會干擾車內其他部件的工作。

• 英飛凌（Infineon）TLE987x介紹

英飛凌的TLE987x的採用了基於ARM? CORTEX? M3內核的32位MCU，集成了一個內部時鐘資源，除非用戶對時序有非常嚴格的高要求，否則用戶可以不必再額外增加外部時鐘。如圖3的晶元架構圖，這顆處理器集成了一個電源管理模塊，能夠將5.5V-27V電池電壓轉換為處理器使用的5V，3.3V和1.3V電壓，用戶不再需要片外電源處理單元，電源管理具有自我監控能力，當發現電源出現問題時，能夠停機自我保護。通信介面方面，有兩路兼容LIN的UART介面以及兩路SPI介面，能夠滿足汽車應用中LIN通訊或者PWM通訊。在時鐘計數器方面，她集成了8個時鐘：T2/T21,T3和GPT12（其中含有T2,T3,T4,T5,T6五個時鐘計數器）。這顆晶元有兩個ADC單元（ADC1和ADC2），ADC1是10位8輸入的ADC，ADC2為8位10路輸入。其中ADC1的輸入是用戶可以定義的，而ADC2的輸入則是固定輸入，其主要功能是實現對整個晶元的關鍵量進行監控，比如晶元的溫度，電源管理模塊的各個電壓等。

為了更方便的實現對BLDC的無位置感測器控制，TLE987x集成了一個反電勢比較器，如圖4所示。電機非導通相的反電勢與導通兩相的中間電壓進行比較，得到電機的轉子位置信息，這個信號經過調整就可以跟我們的外接HALL信號基本一致。當拿到BLDC的轉子位置信息後，根據這些信息和三相六拍的控制法則來產生控制電機的PWM信號。這顆晶元集成了CCU6，這個單元提供的功能是根據控制量產生PWM以及根據位置信號自動產生符合邏輯的控制信號。因為這些控制信號遠沒有足夠的驅動能力去驅動三相橋的MOSFET，TLE987x集成了MOSFET的前置驅動單元。這個單元除了為控制信號驅動能力外，還可以進行驅動系統的診斷，從而使系統更安全可靠。從上面晶元的簡介可以知道原來需要四五顆晶元的電機控制系統現在只需要一顆TLE987x就可以實現，如圖4所示。

• 基於TLE987x 的sensorless實現

基於TLE987x的BLDC無位置感測器控制器如圖5所示。採集電機三相端電壓到BEMF比較器，輸出BLDC轉子位置信號，CCU6根據位置輸出三相六拍控制邏輯，ARM核控制整個晶元運行並進行速度調節輸出速度指令，CCU6產生最終的電機控制信號輸出給預驅單元，預驅單元輸出開關信號到管腳，控制三相橋的運行。

（1）BEMF比較器

BEMF比較器的結構如圖6所示，它利用電機非導通相的端電壓跟導通兩相的中間電勢（近似於Vdc/2）進行比較。比較得到的信號如圖7所示，在過零點電平跳變之前還有一個脈衝，這個脈衝由於電機導通相的續流造成的。有專門的一個濾波器濾掉這個脈衝，除此以外，還有兩個低通濾波器，用以濾除PWM比較過程中產生的毛刺。

當我們使用BEMF比較器時，需要做的就是使能UVW三路比較器，再者就是根據實際應用條件和轉速要求設置濾波的時間參數。

（2）CCU6

CCU6是一個結構複雜功能強大的模塊，她既可以工作在比較模式也可以工作在捕捉模式，是專門為AC電機驅動控制設計的一個模塊。在這個應用中，它主要有兩個功能，一個功能是接收來自BEMF比較器產生的電機轉子位置信息，產生三相六拍的邏輯換相信號；二是根據ARM核計算得到速度指令值，產生對應占空比的PWM信號。

CCU6工作在捕捉模式（HALL模式）如圖8所示。CURHS和EXPHS是當前HALL信號和下一個HALL信號的影子寄存器，他們需要軟體寫入。寫入這兩個寄存器可以先建立一個標準的數組，通過指針自動寫入正確的HALL信號模式。CURH和EXPH是真正邏輯比較時用到的寄存器，通過觸發信號CM_CHE（正確的HALL事件）觸發從CURHS和EXPHS兩個寄存器寫入。MCMPS是對應於CURHS的三相橋輸出模式，MCMP則是HALL信號模式比較正確時真正輸出的信號模式，通過觸發信號（比如PWM周期信號或者比較信號，capture信號等）的使能裝載。比較器採集輸入端的位置信息，當三路位置信息有任何電平跳變時，就將捕捉HALL信號與CURH和EXPH的信號模式進行比較，從而判斷出是否發生正確的HALL事件。如果是正確的HALL事件，就觸發CURH和EXPH的重新裝載，準備下一次位置信號的比較，否者會產生錯誤HALL事件標示，用戶可以做相應保護操作。當正確的HALL事件發生時，計數器T12其中一個通道會將T12的計數值捕捉到寄存器CC61R中，由這個計數值可以計算得到電機的轉速。

CCU6的比較模式很簡單，如圖9所示。CCU6有兩個計數器T12和T13，T12有三個通道的比較捕捉器，T13有一個比較器。T12的三個通道如上所述工作在HALL模式下，T13則用於下面PWM生成。當T13R使能之後，T13遞增計數，與比較值相等後，改變比較輸出狀態。放比較值的寄存器也有一個影子寄存器，通過觸發信號T13_ST來裝載，而觸發信號的選擇可以使T12,T13的比較信號，周期信號等。

如前面兩部分所述，將換相的邏輯信號和PWM信號進行一個與操作（在這裡使用的是上橋PWM控制模式），從而得到控制電機的三相六拍控制信號，如圖10所示。

（3）電流檢測

圖5中有一個地邊的電流採樣。在TLE987x中集成了一個運算放大器，採樣電阻的兩端直接接到晶元運放的兩端，而運放的輸出則直接接到了ADC1的一個通道，非常方便進行電流採樣，而不需要增加額外的電路。這裡的電流採樣主要用於電流的保護，如果有需要也可用於電流環的閉環控制。

（4）MOSFET預驅單元

三相橋預驅單元既可以輸出本單元寄存器定義的電平也可以輸出CCU6產生的三相橋信號，這應用中採用後者，所以在寄存器CTRL1和CTRL2中使能三相橋預驅(HSx_EN和LSx_EN)以及讓其工作在PWM模式(HSx_PWM和LSx_PWM)。集成的三相橋前置驅動器具有過流檢測和保護的功能，並且在保護的時候可以選擇三相橋同時關斷還是短路的一個橋關斷。另外他可以在停機狀態下對三相橋和電機進行開路和短路的診斷，以保證電機運行以前就處於一個安全可靠的狀態。預驅單元可以調節MOS管的導通關斷斜率，使得我們在設計門極驅動時更加容易，門極電阻的選擇更加快捷，開通關斷也不用設計兩個不同的迴路，節約開發成本和時間。只需要設置寄存器ON_SEQ_CTRL 和OFF_SEQ_CTRL，就可以設置導通關斷的斜率。

（5）軟體控制

BLDC電機的無位置控制的主要部分由上面的硬體來完成，軟體主要完成上面硬體寄存器的配置工作。另外軟體需要根據T12的計數值計算反饋速度和速度的PI調節控制。軟體的另一部分工作就是實現電機的開環啟動。由於電機在低速時反電勢很小，因此無法從反電勢比較器獲取正確的位置信號。電機轉速與反電勢之間是一個基本線性的關係，所以可以人為給定一個轉速，根據這個給定轉速乘以一個係數再加入一個偏置量，就是電壓給定，即是PWM的占空比輸入。再由轉速積分得到角度信息，這樣就可以知道三相六拍的換相時刻。只要前面的偏置和比例係數合理，電機就可以轉來。當電機開環加速到閉環閥值時，只要有連續幾個BEMF位置信號比較正確，就可以切換到BEMF的閉環模式。

• 實驗及結論

為驗證控制器的可行性，採用了TLE9879A40作為控制晶元，控制對象電機是一個12V的空調BLDC電機。如圖13所示，控制器與電機之間只有三條電機線相連。當電機開環加速到500rpm（4對極，電轉速為2000rpm）時，切換到BEMF比較器工作模式。如圖14所示，BEMF比較器的輸出信號良好，跟HALL位置信號相差無幾，從而保證電機平穩可靠運行。

以英飛凌TLE987x為核心的BLDC無位置感測器控制器，實現了BLDC的無位置感測器控。它集成了典型電機控制系統的電源管理，反電勢比較器，PWM生成單元以及MOSFET的前置驅動等多個外圍器件，有效的節省了控制器的體積和成本，並且提高了系統的可靠性安全性。

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