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1. 引言
無刷直流電機（BLDC） 用電控裝置取代了電刷和換向器，提高了電機的可靠性，并且具有體積小、效率高、噪音低等優點，在消費及工業應用中得到廣泛應用。在BLDC控制中，勵磁必須與轉子位置同步，因此常用一個或多個轉子位置傳感器確定電機轉子相對于電機定子的位置。采用位置傳感器的BLDC控制方案較為簡單，根據位置傳感器的輸出確定轉子所處的區間，并相應的對電機繞組進行換相。然而，位置傳感器的使用會帶來一些缺點，如增加系統成本，降低可靠性；同時在一些特殊場合，如在電機處在浸沒的環境中，則無法安裝傳感器。這就要求電機無位置傳感器運行。
2. 無傳感器控制方案
圖1即為帶霍爾傳感器的BLDC換相圖。方案采用常規的120°通電方式（六步換相）， 為使電機運行，必須按照周期性間隔切換通電的相（即換相）。對于常規通電，每個電周期需要六次等距換相。每一步或每一區間，相當于60個電角度。六個區間組成了360 個電角度或一次電氣旋轉。每一區間上都有兩個繞組通電，一個繞組未通電。要使電機正確換相，必須測量電周期中的絕對位置。采用三個霍爾傳感器即可提供六次換相所需要的位置信息。
圖1 BLDC換相圖
在無傳感器控制方案中，必須采用其他方式獲取轉子位置。轉子位置的獲得是BLDC無位置傳感器控制中的關鍵技術。常見的轉子位置檢測有反電動勢過零點檢測法、反電動勢三次諧波積分檢測法、續流二極管檢測法、磁鏈估計法等。其中最常用最經典的是反電動勢過零點檢測法。反電動勢過零點檢測法不需要詳細了解電機特性，可適用于多種電機。
在六步換相過程中，每一區間上都有兩個繞組通電，一個繞組未通電。這樣在未通電繞組上會出現某相上電流為零，在電機引線上仍可看到電壓的現象。這個電壓就是反電動勢。簡單的說，反電動勢（EMF）是永磁式電機轉子轉動時，由定子繞組所產生的電壓。反電動勢的幅值與電機轉速成正比。在圖1中，第1扇區中C相電壓，第2扇區中的B相電壓即為定子繞組產生的反電動勢。
假設電機由±UV 電壓驅動，則反電動勢信號以0V為中心對稱。如果反電動勢信號為一條直線，那么信號將在該區間的一半處（也就是該區間的30°電角度處）通過零線。該點稱為過零點。在過零事件后再經過30°電角度進行下一次換相。因此，精確檢測過零點時刻便可估算轉子位置，使電機繞組在正確的時間進行換相。如圖2所示。
圖2 BEMF過零點與換相圖
3. 過零點檢測方案
圖3 BLDC驅動電路拓撲圖
圖3為典型的三相BLDC驅動電路拓撲圖。假定三相端電壓分別為Va，Vb，Vc;Vn為中性點電壓；Ea，Eb，Ec為三相反電動勢；Ia，Ib，Ic為三相電流，R為相電阻，L為電感。在C相為非導通相時可根據過零點時Va+Vb+Vc=0 及上面等式可得：
3Ec=2Vc-（Va+Vb）
根據以上等式，有三種不同的過零點檢測方法：
1.直接用ADC采樣三路端電壓，根據上述公式判斷過零點。此算法需采樣多路ADC電壓，且需軟件濾波算法，對ADC及MIPS均有一定的要求。
2.在 PWM 輸出信號為 OFF 時采樣非通電相電壓，將之與零電壓比較。此算法在低速時比較有優勢，因為低速時反電勢信號比較弱，這種算法的采樣區域恰為非通電相端電壓過零區域。但當 PWM 的占空比比較高時，由于可供采樣的時間點太短，容易造成采樣失敗。
3.在 PWM 輸出信號為 ON 時采樣非通電相電壓，將之與母線電壓的一半比較。此種算法則具有較寬的調速范圍，較為通用。
本方案即采用第三種算法進行過零點檢測。
4.基于PSoC 4的設計方案
PSoC 4 簡介
PSoC 4 是基于ARM Cortex-M0 CPU的可編程嵌入式系統控制器家族，它集合了可編程模擬資源、可編程內部互聯、用戶可編程數字邏輯、通用的固定功能外設計以及高性能的ARM Cortex-M0 CPU子系統。相對于PSoC3、PSoC5系列產品的各個方面， PSoC 4都做了很大的改進。PSoC 4現包含CY8C4100 和CYCY8C4200兩個產品系列，PSoC4100系列是基于ARM內核的最低成本的PSoC，它將PSoC的靈活性和高集成度引入對成本敏感的大批量生產的產品中。PSoC4200系列擁有速度更快的處理器，更高的ADC采樣速度，以及基于PLD的增強型通用數字模塊（UDB）。以下概括了其主要特性。
● 高性能 Cortex-M0 CPU 內核?；?8 MHz ARM Cortex-M0 中央處理器 ， 支持單周期乘法。
● 固定功能以及可配置的數字模塊。包括四個獨立的可支持中央對齊的PWM，支持互補的可編程死區及同步ADC操作；兩個可工作為SPI/UART/I2C 串行通信接口的串行通信模塊（SCB）；
● 高性能模擬系統。包括一個支持零開銷通道切換功能的12位1 Msps ADC; 兩個支持比較器模式及SAR ADC輸入緩沖功能的運算放大器； 兩個低功耗比較器；一個電容感應（CapSense）模塊，提供極佳的信噪比和防水功能；兩個電流數模轉換器 （IDAC）。
● 高度可編程的數字邏輯。四個可編程數字邏輯模塊（UDB），每個包含兩個微型的可編程邏輯陣列和一個8位數據運算單元 。
● 靈活可編程的內部互連。
基于PSoC4的無傳感器BLDC控制方案
PSoC4 內部集成四個獨立的可支持中央對齊、互補的可編程死區及同步ADC操作的TCPWM模塊；兩個支持比較器模式及SAR ADC輸入緩沖功能的運算放大器；可完成同步比較邏輯的可編程數字邏輯模塊（UDB）；可自由切換模擬通道的模擬多路選擇器；豐富的片內資源可將主控電路所需芯片集成到一片芯片中，實現高度集成化。圖4顯示了PSoC4 無傳感器BLDC硬件控制框圖。
圖4 PSoC4 無傳感器BLDC硬件控制框圖
相對于其他解決方案，基于PSoC4的無傳感器BLDC解決方案具有以下特點優勢：
1）采用高性價比的Cortex-M0內核。Cortex-M0是市場上現有的最小、最節能的ARM處理器，代碼占用空間小，能以8位處理器的價格獲得32位處理器的性能，可明顯節約系統成本。
2）內部集成兩個支持比較器模式及可編程數字邏輯模塊（UDB），配合內部模擬多路選擇器可無需外部芯片可硬件完成過零點檢測，減少系統成本。
3）內部集成兩個低功耗比較器，可用于硬件保護或錯誤信號處理。市場常用解決方案大部分采用外部比較器完成此功能。采用PSoC4可進一步減少BOM，降低成本。
4）通過UDB實現的LUT表硬件實現換相邏輯，較軟件方式更加快速可靠。
5）減少PCB空間及BOM成本。由于PSoC4集成了電機控制所需大部分外設及其他豐富的模塊，可實現高度集成化的設計。
6）靈活的通訊接口。PSoC特殊的可編程架構提供了極為靈活的通訊接口，可滿足各種應用的需求。
基于PSoC4的設計實例
1）原理圖設計
根據圖4的控制框圖，我們設計了圖5及圖6所示的BLDC控制原理圖。
三相端電壓通過IO與內部模擬多路選擇器相連，模擬多路選擇器會根據換相狀態動態的切換所要采樣的非通電相并連接至片內比較器。片內的比較器與母線電壓的一半比較，輸出信號連接至D觸發器的輸入端。D觸發器的的時鐘信號來自于數字模塊中的PWM模塊的輸出。 這樣通過D觸發器可獲得在PWM為高電平的時刻端電壓與半母線電壓的比較結果。而比較器的翻轉時刻即是反電勢過零點。比較器的輸出翻轉時，可以觸發中斷，通知CPU作相應的處理。同時片上的比較器還具有滯回比較的功能。即比較器輸出器自上而下翻轉與自上而下翻轉的電壓并不完全一致，而是有一個10mV左右的滯回電壓。此功能可以避免比較器輸出受毛刺影響而被誤觸發。
圖5 過零點檢測原理圖
在過零點中斷中，CPU可直接通過控制寄存器控制UDB換相邏輯表LUT直接驅動三相全橋電路，完成電機的硬件換相。同時換相信號也同步輸入至定時器，完成電機速度檢測。
圖6 PWM及換相邏輯原理圖
2）程序設計
主程序首先初始化和配置PSoC4的內部資源，在主循環中首先檢測按鍵的啟停命令，執行相應操作。根據圖5及圖6可知，程序主要有三個中斷：過零點檢測中斷、換相中斷、速度檢測中斷。在過零點檢測中斷中，程序主要完成換相延時的計算及換相定時器的設定；換相中斷主要完成LUT控制寄存器的操作完成換相邏輯；速度檢測中斷主要完成速度檢測機PI控制。相關流程圖如圖7所示。
圖7 程序流程圖
實驗結果
在PSoC Creator環境下編譯工程，并連接PSoC4開發板，三相全橋驅動板與BLDC電機，通電后電機可正常運行，圖8顯示了電機運行時的三相反電動勢波形?？梢钥闯?，BLDC運行平穩，反電動勢為標準的梯形波。
圖8 三相反電動勢圖
5. 小結
上述實例介紹了如何在Cypress新一代可編程片上系統芯片PSoC 4 平臺上實現無傳感器BLDC控制方案。PSoC 4內部獨特的模擬多路選擇器、可編程數字邏輯模塊配合內部比較器模塊可實現靈活的硬件過零點檢測方案。同時PSoC 4內部集成的可編程UDB可將換相邏輯以PLD的形式固化在芯片中，實現快速可靠的硬件換相。PSoC 4作為Cypress最新推出的產品，針對電機控制做出了富有特色的優化。憑借片內豐富的資源及高度的靈活性，用戶可以輕松設計出高度集成化、低成本、性能優越的電機控制方案。
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