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

3 無傳感位置檢測實(shí)現(xiàn)

依靠Hall傳感器的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)起來非常容易，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，定子繞組的匝數(shù)。

當(dāng)采用傳感器時(shí)，MCU會(huì)根據(jù)hall信號來決定BLDC換向點(diǎn)。當(dāng)采用無傳感控制時(shí)，則可以采用反電動(dòng)勢過零點(diǎn)檢測來決定正確的換向點(diǎn)，如圖5所示。

圖5 BLDC反電動(dòng)勢過零點(diǎn)

當(dāng)在一個(gè)恒速情況下，切換周期等于過零點(diǎn)周期，途中圈圈待表著過零點(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timer得出上一次過零點(diǎn)時(shí)間以及本次的過零點(diǎn)時(shí)間，就可以計(jì)算出正確的換向點(diǎn)。

其中： –實(shí)際過零點(diǎn)時(shí)間， –上次過零點(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，成功檢測反電動(dòng)勢過零點(diǎn)就決定了無傳感控制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能檢測到反電動(dòng)勢過零點(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)，比較器能夠檢測到反向電動(dòng)勢電壓變化從而得出過零點(diǎn)的位置。第二種方式可以用軟件AD采樣來實(shí)現(xiàn)，在BLDC電機(jī)運(yùn)行過程中，使用ADC對不加電的一相進(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)行過零點(diǎn)判斷。

圖6 BLDC反電動(dòng)勢過零點(diǎn)檢測方法

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，可以更加精確檢測出過零點(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)相位比較器來實(shí)現(xiàn)硬件比較，AD模塊包括兩個(gè)獨(dú)立的AD convertor來實(shí)現(xiàn)軟件采樣，兩個(gè)AD convertor可以對反向電動(dòng)勢電壓與Udcb電壓的同時(shí)采樣，確保過零點(diǎn)檢測更加的準(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)勢電壓的變化情況。在PWM周期中ON有效時(shí)，SAtop管被打開接DCBUS，SCbot也打開與地相連。所以電流會(huì)從DCBUS經(jīng)過SAtop管流過A相與C相，再進(jìn)過SCbot管流入地，可見三相的中間點(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)勢就可以被檢測出正向與反向，這也意味著過零點(diǎn)的電壓能夠被成功的檢測到。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到B相反電動(dòng)勢的過零點(diǎn)。

圖7 BLDC反電動(dòng)勢采樣點(diǎn)

由此可以發(fā)現(xiàn)，對反向電動(dòng)勢的檢測只有在PWM周期中處于ON狀態(tài)時(shí)才能實(shí)現(xiàn)。對于AD模塊來說，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事件來啟動(dòng)PTU觸發(fā)過程。圖8可以很形象的理解無傳感檢測反向電動(dòng)勢的采樣過程，PMF/PWM產(chǎn)生一個(gè)PWM Reload信號給PTU單元，PTU單元中的16bit Counter開始計(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)事件來觸發(fā)ADC0與ADC1分別對反向電動(dòng)勢與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ADC中斷服務(wù)子程序中就可以做反向電動(dòng)勢過零點(diǎn)的判斷等操作。

圖8 BLDC反電動(dòng)勢采樣策略

4 總結(jié)

本文詳細(xì)介紹了飛思卡爾S12ZVM混合集成芯片在車用BLDC中的應(yīng)用，其中包括S12ZVM的無傳感控制策略及啟動(dòng)過程，同時(shí)也詳細(xì)介紹了反電動(dòng)勢過零點(diǎn)檢測方法及策略。通過飛思卡爾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，加快車用BLDC控制器的開發(fā)過程。