用于驅動無傳感器 BLDC 電機的優化控制方案

我們將討論用于驅動無傳感器 BLDC 電機的優化控制方案，并展示微控制器外設互操作在這些應用中的重要性和優勢。我們還將向您介紹一些可用于無傳感器 BLDC 電機控制應用的最新微控制器。

隨著對提高效率和可靠性的要求不斷提高，無刷直流 (BLDC) 電機的使用在過去幾年穩步增加。白色家電、汽車、冷卻、航空航天、醫療和工業自動化等行業的變速電機應用現在正在使用 BLDC 電機，而不是其他類型的電機，例如有刷直流和交流感應電機。由于 BLDC 電機的驅動電子設備更加復雜，半導體行業已經為這些應用提供了更具成本效益的解決方案。

BLDC 電機有多種控制方法；使用哪種方法的決定取決于應用程序的要求。在基于傳感器的 BLDC 控制應用中，霍爾效應元件集成到電機中，用于檢測轉子位置以實現驅動同步。通常使用三個霍爾傳感器；每個傳感器為 180° 的電動旋轉提供高信號，為其他 180° 提供低信號。三個傳感器相隔 120° 放置，從而將旋轉分為六個階段（即六步換向）。微控制器從這三個傳感器讀取此信息以確定轉子的位置。在這個方案中，微控制器始終知道轉子位置 - 即使在電機停止時 - 并且可以輕松確定控制回路所需的正確換向順序。然而，這種方案伴隨著霍爾效應傳感器的成本損失——更不用說制造這些電機所需的額外組裝和接線步驟。

相比之下，更具成本效益的無傳感器控制方案采用反電動勢信號檢測，該信號由 BLDC 電機中未通電的相繞組產生（感應）；該信號信息用于同步控制回路的時序。實際上，可以取消霍爾傳感器，但推論是轉子必須首先移動（以產生反電動勢），然后才能獲得任何位置信息。盡管這個特殊問題確實限制了可以使用無傳感器控制方案的應用類型，但仍有許多有效的最終產品可以利用其較低的成本。例如，風扇和鼓風機是此類控制方案的絕佳選擇。

目前市場上有許多基于微控制器的解決方案，從簡單的低成本 8 位設備到更高性能的 16 位和 32 位設備，它們都具有驅動無傳感器 BLDC 電機所需的最少外圍設備：一個 3相位脈寬調制器 (PWM) 用于控制電機相位、用于檢測反電動勢的 ADC 以及用于過流保護的比較器。

但是，由于集成在 MCU 上的外設集是將其定位到應用程序的關鍵，因此這些外設的互操作會極大地影響 MCU 在應用程序中的性能。由于自主外設能夠在沒有 CPU 干預的情況下提供應用程序所需的服務，因此 MIPS 等術語變得更加無意義。

例如，Zilog 最近發布了 Z16FMC 系列 16 位微控制器，除了 4 個鏈表 DMA 通道之外，它還提供 ADC 和定時器之間以及比較器和 PWM 輸出之間的自動互操作。

BLDC 電機的無傳感器控制需要具有快速中斷響應的微控制器來實時處理 PWM 更新。對于需要高速串行通信、PWM 解調、復雜用戶界面和顯示控制等附加功能的應用，核心電機控制外設自主運行的能力變得至關重要。

Z16FMC 電機控制 MCU 框圖

Z16FMC MCU 特性

Z16FMC MCU 包括以下功能：

• 20 MHz ZNEO CPU
• 具有 16 位訪問和在線編程 (ICP) 功能的 128 KB 內部閃存
• 具有 16 位訪問權限的 4 KB 內部 RAM
• 允許無縫連接到外部數據存儲器和外圍設備的外部接口：
• ISA 兼容模式
• 12 通道、10 位模數轉換器 (ADC)
• 運算放大器
• 模擬比較器
• 支持內部或外部 DMA 請求的 4 通道直接內存訪問 (DMA) 控制器
• 一個全雙工 9 位通用異步接收器/發送器 (UART)，支持本地互連網絡 (LIN) 和紅外數據協會 (IrDA)
• 內部精密振蕩器 (IPO)
• 內部集成電路 (I2C) 主/從控制器
• 增強型串行外設接口 (ESPI)
• 12 位脈寬調制 (PWM) 模塊，具有三個互補對或六個獨立的 PWM 輸出，帶有死區生成和故障跳閘輸入
• 三個具有捕捉、比較和 PWM 功能的標準 16 位定時器
• 帶內部 RC 振蕩器的看門狗定時器 (WDT)
• 76 個通用輸入/輸出 (GPIO) 引腳
• 24 個具有可編程優先級的中斷
• 片上調試器 (OCD)
• 電壓掉電 (VBO) 保護
• 上電復位 (POR)
• 2.7 V 至 3.6 V 工作電壓，具有 5 V 容限輸入
• 0°C 至 +70°C 標準溫度和 –40°C 至 +105°C 擴展溫度工作范圍

12 位 PWM 模塊具有三個互補對或六個獨立的 PWM 輸出，支持可編程死區和故障保護跳閘輸入以提供輸出控制；而 ADC 的轉換時間為 2 μs，可以由 PWM 模塊自動觸發。特殊的時間戳功能基于 ADC 采樣/保持自動捕獲 16 位定時器值。

外設互操作

集成在 MCU 上的外設集對于將其優化到應用程序至關重要，但這些外設的互操作會極大地影響 MCU 在應用程序中的性能。Z16FMC 系列提供鏈表 DMA 和 ADC 和定時器（時間戳功能）之間以及比較器和 PWM 輸出（故障響應）之間的自動互操作。

脈寬調制時序

鏈表DMA

直接內存訪問是一種允許數據在獨立于 CPU 的總線上傳輸的功能。Linked List DMA 通過使用提供源和目標信息的描述符以及指向下一個描述符的鏈接將這個簡單的概念提升到另一個層次，以進一步降低 CPU 的開銷和實時響應要求。

此外，Z16F 內核的多總線結構允許在從程序總線獲取指令的同時通過數據總線傳輸數據，進一步降低了事務的開銷。

在無傳感器 BLDC 和更復雜的永磁同步電機和矢量控制應用中，有兩種基本方法可以利用此功能：

當 CPU 處理所有其他系統級任務時，DMA 可用于自動更新電機控制 PWM 定時器。存儲在 RAM 中的波表由 CPU 根據需要更新，但將數據發送到 PWM 模塊的行為由 DMA 處理。結果，CPU 從以 PWM 頻率的速率處理中斷的任務中解放出來。

DMA 可用于卸載 CPU 并處理串行通信，以優化對 PWM 控制器的實時響應。

速度控制的時間戳功能

大多數微控制器至少使用一個專用比較器來檢測輸入反電動勢電壓信號的過零，以便可以同步和調整輸出驅動脈沖以正確調節電機速度。另一種基于 Zilog 電機控制 MCU 的方法通過將 ADC 與定時器互連，從而無需此比較器。

在這種情況下，定時器用于在反電動勢電壓與總線電壓交叉的點生成中斷。在此中斷期間，計時器繼續在后臺運行，并對反電動勢和總線電壓進行采樣。計時器值根據電壓（和電機方向）之間的差異進行更新，以將其鎖定到電機的實際速度上。此事件用于確定換向點并更新 PWM 以有效調節電機速度。這種時間戳方法為電機在穩態下的平穩運行提供了一種非常簡單且具有成本效益的解決方案。

穩態速度控制的時間戳

故障響應

過流故障可能由許多不同的原因引起，有時具有破壞性。電機繞組短路、電機引線短路、機械驅動和連桿問題、轉子卡住或負載變化、功率設備故障或失火以及許多其他問題都可能出現——其中一些是永久性的，一些只是暫時的。Z16FMC 系列具有直接耦合到 PWM 模塊的過流比較器，從而保證可以真正以逐周期模式關閉。這種方法確保響應故障條件時的延遲最小。

在圖 4 中，檢測電阻器上的電流產生的電壓提供給比較器的負輸入端。您可以看到，隨著檢測電阻兩端產生的電壓增加到比較器閾值，PWM 輸出立即被驅動為低電平，直到下一個周期。一旦電壓低于閾值，下一個 PWM 周期就會正常生成。

PWM 對過流故障的響應

升級路徑

Z16FMC 電機控制系列提供了從 Z8FMC16100 系列向上遷移的絕佳路徑，也適用于永磁同步電機 (PMSM) 和交流矢量控制應用。

開發套件

Zilog 提供的無傳感器 BLDC 開發套件基于 Z16FMC28 器件并使用高效 IXYS MOSFET 為控制 30W 三相 BLDC 電機提供非常經濟的解決方案。它隨附以下內容：

• Z16FMC28系列MDS開發板
• BLDC 電機控制應用板
• 無刷直流 (BLDC) 電機
• 光隔離 USB 智能數據線
• 5V直流通用電源
• 帶有完整 ANSI C 編譯器的 Zilog Developer Studio II IDE

示例代碼

所有源代碼均隨開發套件 (Z16FMC28200KITG) 一起提供，可從 Zilog 分銷商處購買。有關詳細信息，請訪問 Zilog 網站：http://www.zilog.com。

參考設計操作

兩個電機相在任何給定時間通電，并且在未通電的相繞組中產生反電動勢電壓。檢測該感應電壓的過零以同步后續閉環控制事件。Z8FMC16100 MCU 的時間戳功能可以穩健、高效地實現這一關鍵傳感功能，而無需額外的比較器。反電動勢感應算法基于鎖相環 (PLL) 的實現。這種實現在啟動期間特別有利，導致電機速度非常平穩地增加，以及根據命令幾乎瞬時反轉旋轉方向。使用傳統方法，在啟動序列期間，向繞組通電，以便將轉子置于已知的起始位置，然后進行換向并啟動反電動勢傳感和控制。相比之下，基于 PLL 的方法可以從啟動階段開始鎖定反電動勢信號，而無需將轉子初始放置在特定位置。此外，這種方法顯著減少了電機在啟動或方向反轉期間的突然運動。

Z8FMC16100 參考設計

編輯：hfy