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

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)，通常需要一個或多個轉(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)，針對這系列的需求，飛思卡爾半導(dǎo)體推出針對汽車三相無刷電機(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） 物理層這四個系統(tǒng)元素結(jié)合到一個單芯片解決方案中，如圖1。通常實(shí)現(xiàn)這四個功能需要兩至四個芯片。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，但是在面對定制的解決方案時(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個電角度進(jìn)行換向控制，同時(shí)對三相橋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)，只需要一個采樣電阻來檢測電流的大小，S12ZVM內(nèi)部有運(yùn)放可以對電流信號進(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，其啟動過程要比帶Hall傳感器BLDC電機(jī)的啟動過程復(fù)雜。如圖4所示，其啟動過程包括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，由于反電動勢與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成正比，在極慢的轉(zhuǎn)速下反電動勢的幅值很低，很難檢測到過零點(diǎn)。因此，當(dāng)電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)啟動時(shí)必須采用開環(huán)控制，待有足以檢測到過零點(diǎn)的反電動勢時(shí)，才轉(zhuǎn)而采用反電動勢檢測控制并進(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)由反向電動勢檢測所得。

圖4 BLDC無傳感控制啟動流程

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)動時(shí)，每個繞組都會產(chǎn)生叫做反電動勢的電壓，根據(jù)楞次定律，其方向與提供給繞組的主電壓相反。反電動勢主要取決于三個因素：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反電動勢過零點(diǎn)

當(dāng)在一個恒速情況下，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勢過零點(diǎn)。第一種是采用三個硬件比較器，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)兩個采樣數(shù)值進(jìn)行過零點(diǎn)判斷。

圖6 BLDC反電動勢過零點(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)部包括三個相位比較器來實(shí)現(xiàn)硬件比較，AD模塊包括兩個獨(dú)立的AD convertor來實(shí)現(xiàn)軟件采樣，兩個AD convertor可以對反向電動勢電壓與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PWM周期中通電情況下反向電動勢電壓的變化情況。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相反電動勢的過零點(diǎn)。

圖7 BLDC反電動勢采樣點(diǎn)

由此可以發(fā)現(xiàn)，對反向電動勢的檢測只有在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16bit計(jì)數(shù)器，兩個獨(dú)立的觸發(fā)發(fā)生器，可以配置高達(dá)32個觸發(fā)事件，同時(shí)可以根據(jù)PWM模塊的Reload事件來啟動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勢的采樣過程，PMF/PWM產(chǎn)生一個PWM Reload信號給PTU單元，PTU單元中的16bit Counter開始計(jì)數(shù)，PTU會在T2這個時(shí)間點(diǎn)產(chǎn)生一個觸發(fā)事件來觸發(fā)ADC0與ADC1分別對反向電動勢與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ADC中斷，在ADC中斷服務(wù)子程序中就可以做反向電動勢過零點(diǎn)的判斷等操作。

圖8 BLDC反電動勢采樣策略

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過程，同時(shí)也詳細(xì)介紹了反電動勢過零點(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。