飛思卡爾S12ZVM混合集成芯片在車用BLDC中的應用方案詳解

BLDC電機與傳統有刷電機相比，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，這些優點使得BLDC愈來愈多地出現在汽車應用中，用來取代傳送帶和液壓系統，提供額外功能和提高燃油經濟性，同時消除維護成本。由于電勵磁必須與轉子位置同步，因此BLDC 電機在運行時，通常需要一個或多個轉子位置傳感器。由于成本、可靠性、機械包裝的原因，特別是當轉子在液體中運行時，電機適宜在無位置傳感器的條件下運行，即通常所說的無傳感器運行。

對于汽車用BLDC控制系統來說，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，針對這系列的需求，飛思卡爾半導體推出針對汽車三相無刷電機的單芯片解決方案S12ZVM家族。S12ZVM是目前市場上集成度最高的無刷直流（BLDC）電機控制解決方案，有助于加快從直流（DC）到BLDC電機的過渡。

1 S12ZVM特點

飛思卡爾S12ZVM系列是具有突破性的技術，它將MCU、MOSFET柵極驅動單元、電壓調節器和本地互聯網絡 （LIN） 物理層這四個系統元素結合到一個單芯片解決方案中，如圖1。通常實現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，因為這有助于提升燃油經濟性。電子系統供應商和電機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，他們獲得的解決方案往往不是最優的，或不具有可擴展性。S12ZVM系列提供諸多不同的產品版本，支持CAN和LIN通信協議，具有多種存儲器容量和封裝選項。 這將允許客戶可重復使用硬件和軟件設計，為空調風機、雨刮器、燃油泵和水泵等應用開發真正的平臺解決方案。

圖1 S12ZVM集成方案

2 無傳感BLDC控制系統設計

如圖2所示，三相BLDC電機控制可采用三相六拍的控制方法，每隔60個電角度進行換向控制，同時對三相橋PWM控制可采用單極性控制策略，上橋采用PWM控制，下橋可直接導通與地相連，其優點在于控制簡單，較低的MOS管開關損耗及較低的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控制系統設計框圖，除了三相橋與采樣電阻之外，整個控制都可以由S12ZVM內部來實現。當采用三相六拍控制策略時，只需要一個采樣電阻來檢測電流的大小，S12ZVM內部有運放可以對電流信號進行放大并通過AD模塊進行采樣，同時還可以將放大的電流信號經過比較器與給定的電壓進行比較做過流保護。圖中藍色部分為S12ZVM的硬件模塊，而綠色部分則由軟件來實現功能。AD模塊采樣相電壓，DCBUS電壓和工作電流，經過過零點檢測算法來確定換向控制并計算BLDC實際速度，速度環的PI控制器對實際速度和設定速度差值進行計算，從而決定PWM的占空比來控制BLDC電機轉動力矩，保證實際速度按照設定的速度運行。

圖3 S12ZVM BLDC無傳感控制框圖

由于無法確切知道BLDC無傳感電機的初始位置，其啟動過程要比帶Hall傳感器BLDC電機的啟動過程復雜。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電機穩定在一個已知的位置。占空比的大小與持續的時間取決于BLDC電機特性和負載大小，通常持續時間在100ms到500ms之間。當Alignment過程結束后，就進入Open Loop Starting階段，由于反電動勢與轉子轉速成正比，在極慢的轉速下反電動勢的幅值很低，很難檢測到過零點。因此，當電機從靜止狀態啟動時必須采用開環控制，待有足以檢測到過零點的反電動勢時，才轉而采用反電動勢檢測控制并進入Run階段。當進入到Run階段后，BLDC就采用速度閉環控制，過零點由反向電動勢檢測所得。

圖4 BLDC無傳感控制啟動流程