由于更高的可靠性，效率和更低的噪音，無刷直流（BLDC）電機正在取代傳統(tǒng)的有刷直流電機。這些在幾乎所有領(lǐng)域都很受歡迎，例如消費電子產(chǎn)品，家用電器和工業(yè)控制。開發(fā)高性能BLDC控制系統(tǒng)需要更高的精度。這是通過在大多數(shù)BLDC控制系統(tǒng)中使用閉環(huán)控制來實現(xiàn)的。

BLDC

BLDC電機優(yōu)于有刷直流電機的優(yōu)點是：

高效率

更可靠，無換向電弧 - 無需維護電刷

更高的速度和功率與尺寸比

定子產(chǎn)生熱量 - 易于拆卸

慣性較小 - 無換向器

加速度更高

BLDC電機比有刷直流電機更有效。對于相同的輸入功率，BLDC電機將比電刷電機更多的電能轉(zhuǎn)換為機械電源，因為電刷不會產(chǎn)生摩擦。在有刷電機設(shè)計中，電刷用于改變電磁鐵的磁極以保持電機旋轉(zhuǎn)。由于沒有刷子，沒有什么可以機械地處理極性變化。結(jié)果，需要電子控制器連續(xù)地切換繞組的相位，這將使電動機保持旋轉(zhuǎn)。為此，定子繞組按特定順序通電，如圖1所示.BLDC電機有三相。利用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為了移動電動機，在每個換向循環(huán)期間驅(qū)動兩相。一相驅(qū)動為高電平（VMotor），另一相驅(qū)動為低電平（GND）。剩下的階段是浮動的。每次換向步驟，電機都會移動60度。完成所有循環(huán)后，電機將完全移動360度。

要實現(xiàn)此順序，了解轉(zhuǎn)子位置非常重要。這可以通過使用傳感器來完成，例如霍爾效應(yīng)傳感器（傳感控制），或通過感應(yīng)反電動勢（無傳感器控制）?；魻栃?yīng)傳感器嵌入定子中。當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極通過霍爾傳感器附近時，它們提供高或低信號，表明北極或南極正在附近通過。轉(zhuǎn)子的位置源自三個霍爾傳感器信號的精確組合。

本應(yīng)用筆記介紹了Sensored BLDC。三個位置傳感器提供轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位置。位置傳感器以180電氣旋轉(zhuǎn)度旋轉(zhuǎn)每個。傳感器輸出和所需電機驅(qū)動電壓的時序圖如圖1所示。脈沖寬度調(diào)制（PWM）的可選使用提供速度或轉(zhuǎn)矩控制，如圖1中的A，B和C相所示。調(diào)制輸出控制信號（PWM）的周期是變化的，以改變電動機的速度和扭矩。

圖1：BLDC傳感器輸出與換向時序的關(guān)系。

PSoC 3

CY8C3866AXI器件屬于PSoC 3系列。該器件的框圖如圖2所示，BLDC應(yīng)用程序中使用的塊突出顯示。

圖2：PSoC 3（CY8C3866AXI）框圖。

數(shù)字子系統(tǒng)

PSoC 3數(shù)字子系統(tǒng)提供功能和互連的獨特可配置性。子系統(tǒng)通過數(shù)字系統(tǒng)互連（DSI）將來自任何外設(shè)的數(shù)字信號連接到任何引腳。它還通過一系列小型，快速，低功耗通用數(shù)字模塊（UDB）和針對特定固定功能的小模塊提供功能靈活性。

UDB

為獲得最佳靈活性，每個UDB包含幾個組件：

基于ALU的8位數(shù)據(jù)路徑

兩個細(xì)粒度的PLD

控制和狀態(tài)模塊

時鐘和復(fù)位模塊

PSoC 3器件包含最多64個UDB的陣列。

通過UDB陣列進行靈活路由。

部分UDB可以共享或鏈接以啟用更大的功能。

靈活實現(xiàn)多種數(shù)字功能，包括但不限于定時器，計數(shù)器，PWM（帶死區(qū)發(fā)生器），UART， I2C，SPI和CRC生成/檢查。

PSoC 3器件中的固定功能定時器模塊為16位，可配置為定時器或PWM，在嵌入式系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。 PSoC 3最多提供四個Timer塊實例。如果需要額外的Timer塊，則在UDB中配置它們。定時器模塊具有各種時鐘源，并通過DSI連接到通用輸入/輸出（GPIO）。

可配置的數(shù)字功能塊也可用于其他特定功能。

模擬子系統(tǒng)

PSoC 3模擬子系統(tǒng)為該器件提供了獨特可配置性的后半部分。所有模擬性能均基于高精度絕對電壓基準(zhǔn)，溫度和電壓誤差小于0.2％。可配置模擬子系統(tǒng)包括模擬復(fù)用器，比較器，模擬混頻器，運算放大器，電壓基準(zhǔn)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和數(shù)字濾波器模塊（DFB）。所有GPIO引腳都可以使用內(nèi)部模擬總線將模擬信號路由進出器件。此功能使設(shè)備可以連接多達62個離散模擬信號。

CY8C3866AXI器件上的模擬系統(tǒng)包含：

四個連續(xù)時間/開關(guān)電容構(gòu)建模塊，可用于制作可編程增益放大器（PGA），跨阻放大器（TIA），混頻器等。

四個比較器，具有用戶可配置的速度，精度和滯后設(shè)置。

四個專用運算放大器，可用作驅(qū)動外部負(fù)載的模擬緩沖器，模擬濾波器，峰值檢波器，慢速比較器，依此類推。

四個DAC，可配置為電流或電壓輸出，用戶可配置的輸出范圍，方向，功率和速度。

Delta-Sigma ADC，可選分辨率從8到20位。它們具有用戶可配置的輸入范圍，參考值，采樣率和工作模式。

基于PSoC 3的BLDC電機控制

基于PSoC 3的BLDC電機控制框圖如圖圖4顯示了PSoC Creator?原理圖。

圖3：PSoC 3 BLDC電機控制器的框圖。

輸入到PSoC 3的控制信號為：

速度命令：模擬輸入引腳，用于測量電位器上的電壓，以設(shè)置所需的旋轉(zhuǎn)速度（一個模擬輸入引腳）。

《 li》電機電流檢測：用于檢測和切斷電源設(shè)備驅(qū)動器的模擬輸入引腳，用于在檢測到過電流情況時保護電機（參見下一節(jié)）（一個模擬輸入引腳）。

霍爾傳感器：三位數(shù)字輸入引腳連接到電機霍爾傳感器的輸出。這些傳感器輸入提供電機的位置，用于通過改變PWM輸出信號到電源驅(qū)動器（三個數(shù)字輸入引腳）來控制換向。

方向控制：數(shù)字輸入連接到開關(guān)控制電機在順時針和逆時針之間旋轉(zhuǎn)（一個數(shù)字輸入引腳）。

啟動/停止控制：數(shù)字輸入連接到一個開關(guān)，用于啟動和停止電機的旋轉(zhuǎn)（一個數(shù)字輸入引腳）。/li》

PSoC 3的輸出是電源設(shè)備驅(qū)動信號。

PWM信號到功率器件驅(qū)動器的高端（三個數(shù)字輸出引腳）。

PWM信號到功率器件驅(qū)動器的低端（三個數(shù)字輸出引腳）。/li》

圖4：用于BLDC感應(yīng)電機控制的PSoC創(chuàng)建器原理圖。

三個霍爾效應(yīng)傳感器被送入查找表（LUT），該表使用UDB的PLD功能創(chuàng)建，并使用傳感器的數(shù)據(jù)來確定電機位置。然后，LUT編程邏輯將在適當(dāng)?shù)臅r間將適當(dāng)?shù)腜WM信號傳遞給GPIO。 GPIO引腳連接到外部電源驅(qū)動器模塊，該模塊將通過選通高壓電源直接驅(qū)動BLDC電機。 LUT還將控制電機的方向，并根據(jù)LUT從Com_Control_Reg讀取的內(nèi)容控制電機的啟動和停止。如圖1所示，該數(shù)字邏輯將協(xié)同工作以產(chǎn)生用于轉(zhuǎn)動電動機的換向序列。

通過使用DelSig ADC從模擬輸入引腳讀取電位計來完成速度控制。每次isr_termcount觸發(fā)時，固件將檢查ADC并根據(jù)測量的電壓查看是否需要更改電機速度。使用TACH_timer測量電機的當(dāng)前速度，TACH_timer是一個16位定時器。一旦發(fā)生傳感器1的下降沿，我們就知道電機已經(jīng)完成了一次完整的旋轉(zhuǎn)。該上升沿將觸發(fā)定時器的捕捉并將當(dāng)前定時器值移至寄存器，然后我們可以讀取該寄存器并確定當(dāng)前的電機速度。然后將計算出的電動機速度輸入控制回路，以比較測量的和預(yù)期的電動機速度?；谠撚嬎悖梢哉{(diào)整PWM的占空比以更精確地匹配期望的電動機速度。

此設(shè)計還實現(xiàn)了基于過電流保護的硬件，下一節(jié)將對此進行更詳細(xì)的說明。過流檢測系統(tǒng)的比較器輸出直接與PWM中斷信號相連。當(dāng)過電流觸發(fā)時，PWM輸出被終止，這將停止所有控制信號到外部驅(qū)動器模塊。無論當(dāng)前的CPU進程或狀態(tài)如何，都會發(fā)生這種情況。

過流保護

這是在PSoC 3的硬件中實現(xiàn)的?？驁D如圖5所示。

圖5：三相電機高壓電源模塊板和PSoC 3的過流保護框圖。

電源電流通過功率逆變器模塊的接地路徑中的分流電阻測量（圖5中的R1）。該電壓在電路板上進行電平轉(zhuǎn)換，并連接到PSoC 3上的模擬輸入引腳（標(biāo)記為CURRENT）。

此輸入電壓饋入PGA，采用模擬連續(xù)時間模塊實現(xiàn)。 PGA將輸入電壓和參考電壓之間的差值（模擬電源的一半的緩沖電壓VDDA）相乘，并將輸出連接到時鐘控制比較器。將電壓電平與電流限制進行比較。電流限制值在寄存器中設(shè)置，并通過8位電壓DAC轉(zhuǎn)換為模擬電壓。比較器的輸出連接到PWM模塊，并在超過電流限制閾值時終止PWM輸出。這為BLDC電機提供了逐周期電流限制。 PSoC Creator中過流保護的實現(xiàn)如圖6所示。

圖6：過流保護的PSoC創(chuàng)建器原理圖實現(xiàn)。

BLDC過流保護中使用的PSoC 3資源是：

實現(xiàn)PGA的連續(xù)時間（SC/CT）模塊。

模擬比較器 - 這是一個專用的模擬資源，不使用SC/CT模塊。

UDB中實現(xiàn)的8位PWM（用于控制電源設(shè)備驅(qū)動的相同PWM） - 輸出當(dāng)檢測到過電流情況時，比較器觸發(fā)PWM輸入。

模擬緩沖器，使用一個專用模擬運算放大器。 （可以用外部電阻分壓器和模擬輸入引腳代替，以減少資源使用。）

VDAC8 - 內(nèi)置8位電壓DAC，用于設(shè)置比較器的電流限制閾值。 （可以用外部電阻分壓器和模擬輸入引腳代替，以減少資源使用。）

要為所需的電流限制配置過流保護，必須為電阻和電流限制選擇值閾。過電流檢測分流電阻器的值是電動機操作的凈空和檢測塊的穩(wěn)健性之間的折衷。對于給定的電流限制，必須通過電動機電流產(chǎn)生足夠的電壓變化，以準(zhǔn)確地檢測比較器的變化。但是，增加電阻會增加逆變器的接地電壓并降低驅(qū)動電機的裕量。電流限制閾值和電阻值通過以下等式相關(guān)，其中增益是PGA的增益，電流是期望的限制，并且vref是電平移位的參考電壓。

對于本應(yīng)用中的三相電機高壓電源模塊板和2 A過流保護限值，選擇了分流電阻R1為0.02Ω，PGA配置增益為8。這樣可以提供0.02Ω* 8 * 2 A = 320 mV + VREF = 320 mV + 1.65 V = 1.97 V的電流閾值電壓。為了產(chǎn)生該電壓，電流限制閾值DAC（VDAC8）輸出設(shè)置為82在固件中。

PSoC 3硬件中實現(xiàn)的過流保護機制是片上低成本解決方案。

PSoC 3 PI閉環(huán)速度控制

PI控制算法在連續(xù)控制系統(tǒng)中非常有用。有兩種基本的PI控制算法：位置模式和增量模式PI控制算法。以下等式是PI算法的位置模式的離散表達式。在閉環(huán)速度PI控制系統(tǒng)ek是速度誤差。

位置模式PI算法的缺點是：

在閉環(huán)和開環(huán)之間切換時，系統(tǒng)會產(chǎn)生一個脈沖，導(dǎo)致電機不穩(wěn)定。位置模式PI控制的輸出與過去的所有狀態(tài)相關(guān)。 MCU中速度計算的精度和內(nèi)存有限，在全位置計算中會產(chǎn)生不可避免的精度誤差。

使用增量模式PI算法可以解決這些缺點。該公式如下式所示。

輸出控制增量，將其添加到當(dāng)前控制輸入。這可以驅(qū)動PWM來調(diào)節(jié)電機的速度。通過增量速度控制，MCU實現(xiàn)也變得更容易。

圖7：PSoC 3 PI閉環(huán)速度控制。

固件架構(gòu)

有一個主循環(huán)和一個中斷服務(wù)程序，即定時器ISR。定時器ISR每1 ms產(chǎn)生一次中斷并觸發(fā)速度控制功能。固件操作的流程圖如圖8所示。

圖8：固件操作。

定時器每1 ms產(chǎn)生一次中斷，調(diào)用速度控制功能。當(dāng)調(diào)用速度控制功能時，它會檢查轉(zhuǎn)速計定時器，以查看是否檢測到霍爾傳感器1的下降沿。將傳感器變化的時間標(biāo)記與前一次進行比較，并計算電動機的當(dāng)前旋轉(zhuǎn)速度。為了在噪聲濾波的速度控制中增加阻尼，速度變量（速度）僅向測量速度調(diào)節(jié)一步。

ADC采樣速度設(shè)定電壓（在模擬引腳SPEEDSET上）。如果設(shè)置已更改，則會將速度命令向一個值逐步指向新目標(biāo)以進行噪聲過濾。通過速度控制環(huán)路（50 ms）每50次迭代，測量速度和速度命令之間的差異用于計算使用公式4對PWM占空比的步進調(diào)整?；诓襟E的PWM調(diào)整，測量速度，和速度設(shè)置可以抑制瞬時變化，并根據(jù)設(shè)置或旋轉(zhuǎn)的變化產(chǎn)生平滑的速度轉(zhuǎn)換。