無刷直流（BLDC）馬達(dá)廣泛用于工業(yè)應(yīng)用、家用電器以及車輛系統(tǒng)中。此類馬達(dá)由放置在轉(zhuǎn)子上的多極永久磁鐵以及若干繞組組成。本文介紹了如何采用無傳感器、反電動勢技術(shù)對無刷直流（BLDC）馬達(dá)控制實施PSoC。

無刷直流（BLDC）馬達(dá)廣泛用于工業(yè)應(yīng)用、家用電器以及車輛系統(tǒng)中。此類馬達(dá)由放置在轉(zhuǎn)子上的多極永久磁鐵以及若干繞組組成�？刹捎酶鞣N方法來控制BLDC馬達(dá)。其中最簡單的方法就是采用轉(zhuǎn)子位置傳感器。傳感器可以是光的、磁的（霍爾效應(yīng)或基于磁阻效應(yīng)）或感應(yīng)的。但是，在傳感器穩(wěn)定性要求較高的惡劣環(huán)境中運(yùn)轉(zhuǎn)馬達(dá)時，采用傳感器會增加成本并帶來可靠性問題。不斷提高的嵌入式計算能力再加上較低的功率半導(dǎo)體器件與微控制器的價格，使更為復(fù)雜的馬達(dá)控制方法變?yōu)楝F(xiàn)實。其中一種流行的方法是使用反電動勢（back-EMF）信號，該信號由圍繞激勵線圈旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子永久磁鐵感應(yīng)產(chǎn)生。

1．方案特點

本文使用反電動勢感應(yīng)形成BLDC馬達(dá)驅(qū)動器，主要特征如下：
·在有載與空載時均能可靠地啟動馬達(dá)；
·當(dāng)傳動軸上的負(fù)載發(fā)生變化時也可穩(wěn)定運(yùn)行；
·當(dāng)電源與負(fù)載波動時仍可保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定；
·過載保護(hù)；
·利用預(yù)定的速度表進(jìn)行運(yùn)行時轉(zhuǎn)速控制；
·錯誤診斷與故障排除。

該驅(qū)動器與眾不同的特征是它使用了三個PSoC混合信號陣列低通濾波器（LPF），安裝在PSoC的開關(guān)電容器（SC）塊的四周。這些濾波器是二階貝塞爾濾波器，用于驅(qū)動相位轉(zhuǎn)換機(jī)制中的相位延遲，從而在馬達(dá)軸上生成最佳的轉(zhuǎn)矩。

建議的方案使用額定電源為220V的75WBLDC馬達(dá)。但是，該方案也適合12V、24V、48V或120V電源的馬達(dá)；只有相電壓電阻分壓器與馬達(dá)線圈電平轉(zhuǎn)換器（通常稱為線圈驅(qū)動器）必須適用專用馬達(dá)。

電源電路包括：AC輸入線路噪聲濾波器；AC線路LC濾波器；AC電源整流器；一個降壓調(diào)節(jié)器，可產(chǎn)生穩(wěn)定的15V與5V電源（未在流程圖中顯示）；一個具有電平轉(zhuǎn)換器的三相電橋，可使用低功耗數(shù)字信號來控制該橋。為了簡化起見，略去了驅(qū)動器狀態(tài)顯示LED指示燈與速度設(shè)置開關(guān)。

BLDC馬達(dá)驅(qū)動器流程圖

該驅(qū)動器由IGBT晶體管的橋接芯片驅(qū)動器與測量電流的電流感應(yīng)電阻器組成，該電流與電橋臂總電流成比例。IGBT電平轉(zhuǎn)換器能夠?qū)碜訮soC（控制橋總線）的邏輯電平信號轉(zhuǎn)換成適合驅(qū)動IGBT橋的低電平與高電平。國際整流器IR2130芯片可用作IGBT驅(qū)動器。此芯片包含的元件可防止橋晶體管出現(xiàn)過電流情況、低功耗電壓輸出級以及內(nèi)部停滯時間控制。這些特性使得PSoC能夠?qū)⑵滟Y源集中在馬達(dá)控制上，并且只有當(dāng)IR2130引發(fā)復(fù)雜的驅(qū)動器故障事件時才做出反應(yīng)。將這些功能集成到PSoC器件中，可以使用較低成本的驅(qū)動器。

該驅(qū)動器可處理來自電源驅(qū)動器電路的以下信號：
·與IGBT驅(qū)動器的輸出相位電壓成比例的三種電壓信號；
·電壓信號指的是DC總線電壓信號。此信號為PSoC模擬接地（AGND）信號。電阻分壓器削弱了此信號，從而使相位信號加倍。
·故障信號至少指示一個故障事件的發(fā)生。

相位電壓信號進(jìn)入LPF中。其截止頻率比馬達(dá)驅(qū)動器生成的相位轉(zhuǎn)換頻率高出三倍。

PSoC模擬塊對相位電壓進(jìn)行處理。PSoC的AGND是浮動的，并且與DC總線電壓的一半成正比，該總線電壓是經(jīng)過整流與濾波的AC電源電壓。

LPF有可兩種功能。一是為馬達(dá)相位電壓生成必要的相位延遲。在此類應(yīng)用中的馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)，最佳相位延遲為30度。二能是從PWM頻率中過濾掉相位電壓，以生成接近于正弦曲線的信號波。當(dāng)過濾的信號穿過AGND時，會觸發(fā)內(nèi)部比較器并確定下降沿信號和上升沿信號。在運(yùn)行時，在固件中LPF會確定等待邊沿類型以及查詢的相位信道。在固件中，比較器觸發(fā)器將啟動中斷操作。

PWM發(fā)生器為電橋高電平側(cè)形成脈寬調(diào)制信號。電橋低電平側(cè)由恒定、清晰的邏輯電平控制。

電橋高電平側(cè)PWM信號發(fā)送是通過固件控制的內(nèi)部多路信號分離器完成的。請注意，相對于AGND分配的相電壓是不對稱的。當(dāng)設(shè)置的PWM占空比較小時，會產(chǎn)生很大的影響。為了解決這一問題，需將單個補(bǔ)償電壓同時添加到三相信號中。此電壓與PWM占空比成反比，并且通過反轉(zhuǎn)與濾除PWM輸出信號而生成。

使用可編程電壓窗口比較器可以實施DC總線電壓監(jiān)控。如果DC總線（為電橋高電平側(cè)供電）的電壓高于或低于預(yù)設(shè)值，比較器就會中斷。這會使馬達(dá)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，從而阻止其在不安全的區(qū)域工作。如有必要，可以使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）來監(jiān)控DC總線電壓。

2．驅(qū)動器原理

該驅(qū)動器包含三部分：電源、IR2130驅(qū)動器、PSoC芯片。其中，電源部分有電源濾波器、整流器、DC總線濾波器、IGBT晶體管電橋，以及低壓器件電源的電壓轉(zhuǎn)換器。

第二部分是IR2130驅(qū)動器及相電壓分壓器。第三部分是PSoC芯片與速度選擇器。速度選擇器由控制外部速度的光學(xué)耦合器（可實現(xiàn)電隔離，并與手動控制速度的DIP開關(guān)并聯(lián)）組成。三個LED指示燈會顯示告警事件。這三部分采用了三種不同的電路板，以便為專用的馬達(dá)應(yīng)用提供更大的靈活性。

馬達(dá)控制系統(tǒng)采用無傳感器的反電動勢技術(shù)，在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中，馬達(dá)繞組可作為位置傳感器。為了實現(xiàn)這一點，在傳感器位置模式下工作的繞組將與線路電源斷開。通過旋轉(zhuǎn)馬達(dá)轉(zhuǎn)子上的磁鐵，可以在繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。電壓變換的信號與方向可指示轉(zhuǎn)子磁極相對于定子繞組的位置。

PSoC的主要任務(wù)是使用產(chǎn)生的電壓檢測轉(zhuǎn)子的位置，并以新驅(qū)動相位協(xié)助轉(zhuǎn)子按所需方向旋轉(zhuǎn)的方式執(zhí)行相位轉(zhuǎn)換。這是保證馬達(dá)旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的主要條件。

初看起來，似乎每個相位上使用一個簡單的比較器即可正常工作。但反電動勢電壓會形成較復(fù)雜的波形，這是因為反電動勢繞組沒有負(fù)載。

有兩種方法可以將反電動勢信號與有害的噪聲分開。第一種方法是使用低通濾波來抑制PWM感應(yīng)噪聲。第二種方法是當(dāng)PWM信號處于不活動狀態(tài)且繞組的瞬態(tài)過程完成時進(jìn)行相位電壓分析。這種方法適用于具有低PWM占空比值或低功耗馬達(dá)，其中線圈之間交叉耦合的感應(yīng)/電容非常微弱。當(dāng)采用PSoC LPF時，第一種方法對噪聲抑制非常有效。濾波后，可以很容易將信號與參考信號進(jìn)行比較。

所有濾波器均有相位延遲。這一延遲取決于信號頻率。因此，在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率變化的同時繞組隨之換向。這可能導(dǎo)致反電動勢信號同步損失或很大的轉(zhuǎn)矩波動。針對此問題有兩種解決方案：
（1）使用相位校正濾波器，模擬的或數(shù)字的，在工作頻率范圍內(nèi)提供接近常量的相位延遲。
（2）應(yīng)用基于可調(diào)常規(guī)開關(guān)電容器的濾波器。

第一種方法要求使用復(fù)雜的模擬電路或更昂貴的DSP內(nèi)核進(jìn)行多通道信號處理。此類固件必須以實時方式連續(xù)讀取與處理三個ADC的轉(zhuǎn)換。驅(qū)動控制器還需執(zhí)行其它任務(wù)，如速度控制。這就使得第一種方法很難通過低成本微控制器來實現(xiàn)。第二種方法要求傳統(tǒng)微控制器時濾波器可進(jìn)行外部重新配置。這會提高驅(qū)動器價格并使電路變得更加復(fù)雜。然而，PSoC內(nèi)部有許多固件控制的濾波器。因此，最佳解決方案即為使用可調(diào)LPF方法。這可以達(dá)到價格、質(zhì)量與復(fù)雜性的最佳組合。

相位延遲濾波器可以置于三個PSoC列中，并且內(nèi)置式比較器可用來檢測輸出交叉信號。貝塞爾濾波器為首選器件，因為在截止點之前它們的相位延遲與頻率成線性關(guān)系。濾波器相位延遲在截止頻率處為90度。SC濾波器截止頻率直接與濾波器時鐘速率成正比，從而可以通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)濾波器時鐘頻率，在整個輸入頻率范圍內(nèi)提供穩(wěn)定的相位延遲。該相位延遲等于轉(zhuǎn)子磁極與定子繞組在換向瞬間所形成的恒定角度。在此應(yīng)用中，相位延遲角度保持在30度。在可編程期內(nèi)使用16位計數(shù)器可以生成濾波器的時鐘速率，可在PSoC數(shù)字資源中進(jìn)行分配。

每個SC濾波器都有一個可將濾波器輸出信號與AGND信號進(jìn)行比較的輸出比較器。比較器輸出可驅(qū)動比較器總線，在軟件或觸發(fā)器中斷時可以對總線進(jìn)行查詢。

根據(jù)固件中的預(yù)配置，內(nèi)置查找表（LUT）可以觸發(fā)比較器總線上升沿或下降沿上的中斷。該功能用來檢測反電動勢信號的跨零事件以及為馬達(dá)繞組生成換向的信號。每個濾波器都會使用專用的狀態(tài)機(jī)觸發(fā)在固件中的中斷，并通過修改LUT控制寄存器的內(nèi)容來確定下一個相位轉(zhuǎn)換命令及調(diào)整運(yùn)行時的下一個中斷極性。

注意，每次馬達(dá)相位變化時，下一個預(yù)期的反電動勢信號極性的變化方向均與上一個相反。因此，在剛開始變化時使用觸發(fā)的中斷服務(wù)程序（ISR）中的LUT時，比較器總線信號是反相的。對于觸發(fā)多個中斷時可造成滯后現(xiàn)象與附加的噪聲抗擾度。

這種架構(gòu)的一個特性是僅在上面的橋接旁路（高電平側(cè)）處供給控制PWM的電壓。這會相對于電源DC總線電壓的一半產(chǎn)生不對稱的信號。

3．驅(qū)動器運(yùn)行

驅(qū)動器運(yùn)行包含以下幾個階段：

（1）停止階段

事件觸發(fā)器會標(biāo)記出哪一個事件觸發(fā)了停止階段。如果計數(shù)器未超出預(yù)設(shè)閾值，則PSoC會讀取速度設(shè)置開關(guān)。在這種狀態(tài)下，所有電橋驅(qū)動器均關(guān)閉，并且PSoC對速度設(shè)置開關(guān)進(jìn)行查詢。通過設(shè)置非零速度值可以退出這一階段。

（2）完全停止階段

在馬達(dá)啟動失敗次數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)的嘗試次數(shù)后，驅(qū)動器進(jìn)入完全停止階段。LED D2指示這一階段。只有通過上電復(fù)位才能從這一階段重新初始化驅(qū)動器。

（3）驅(qū)動器準(zhǔn)備階段

IR2130驅(qū)動器具有自舉電容器功能。自舉電容器必須充電到10V才能使用。否則，不管控制信號是什么，高電平側(cè)的輸出都會關(guān)閉。在這一階段必須接通電橋低電平側(cè)的功率晶體管。為了預(yù)先對自舉電容器充電，需接通低電平側(cè)的晶體管，并詢問IR2130輸出驅(qū)動器故障。如果信號很弱，則關(guān)閉低電平側(cè)功率晶體管，然后重復(fù)這一過程。此外，必須通過打開/關(guān)閉晶體管來清除內(nèi)部IR2130驅(qū)動器的錯誤標(biāo)記。

（4）綁定階段

在綁定階段有兩項操作。首先，通過對兩個繞組應(yīng)用驅(qū)動電壓，將轉(zhuǎn)子設(shè)定在預(yù)先確定的啟動位置。其次，確定可能的最大啟動占空比。此占空比與馬達(dá)啟動電流成比例。按照轉(zhuǎn)移表改變必要繞組的電流方向。這一階段的PWM發(fā)生器頻率設(shè)置為1.5kHz。然后占空比每0.8毫秒遞增一次。每次遞增PWM占空比后，都會查詢驅(qū)動器故障輸出。如果驅(qū)動器故障等于零，則馬達(dá)繞組電流超過最大可能值。在示例方案中，最大值設(shè)置為3.5A。驅(qū)動器故障輸出一達(dá)到零值，PWM占空比就不再增加。

同樣，AC紋波電壓的幅度也取決于DC濾波器參數(shù)。如果將此測量的占空比直接選為最大PWM脈沖寬度，則過電流保護(hù)可能會過早關(guān)閉馬達(dá)。因此，必須略微降低最大的可測量占空比，以防止錯誤地觸發(fā)過電流保護(hù)。在示例方案中，測量的占空比降低25%，并用于啟動PWM占空比值。

（5）自由運(yùn)行階段

在這一階段，轉(zhuǎn)子開始旋轉(zhuǎn)并與反電動勢信號保持同步。該階段的PWM工作頻率設(shè)置為5kHz（可提高到8kHz）。

馬達(dá)啟動期間相位轉(zhuǎn)換事件之間的時間間隔比馬達(dá)正常運(yùn)轉(zhuǎn)期間的時間間隔長得多。因此，馬達(dá)線圈會在驅(qū)動階段積累更多能量。盡管在線圈驅(qū)動停止時IGBT的晶體管具有反向電流保護(hù)二極管，但需要相當(dāng)長的時間來消散這一能量。只有當(dāng)消散掉了所有存儲的能量并關(guān)閉二極管后，才會收到反電動勢信號。這會限制感測反電動勢信號的時間間隔。使用專用16位計數(shù)器可以設(shè)置與電流相位轉(zhuǎn)換周期成正比的延遲。這確定了應(yīng)感測有效反電動勢信號的間隔。由于PSoC具有動態(tài)重新配置功能，因此今后還可將此計數(shù)器用于其它用途。

LPF截止頻率在該驅(qū)動階段具有固定值，并用PSoC配置中的專用16位計數(shù)器Filt_Counter16進(jìn)行設(shè)置。在每次相位轉(zhuǎn)換事件（從第二次轉(zhuǎn)換事件開始）之后都會感測到反電動勢信號。如果能正常收到預(yù)期事件，則驅(qū)動器將退出自由運(yùn)行階段，并切換到同步旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。

對于馬達(dá)啟動，通過逐步縮短線圈轉(zhuǎn)換的時間間隔，在自由運(yùn)行階段使轉(zhuǎn)子加速旋轉(zhuǎn)。這些間隔比正常相位轉(zhuǎn)換間隔更長。在這些間隔期間，轉(zhuǎn)子可能會達(dá)到使軸扭矩下降的平衡位置。為了達(dá)到最大的啟動扭矩，可以通過分析反電動勢信號來實現(xiàn)線圈換向。在自由運(yùn)行階段對反電動勢信號進(jìn)行分析。這發(fā)生在第二次繞組換向之后，并且跨AGND電平的第一次有效反電動勢信號變換將結(jié)束自由運(yùn)行階段，然后切換到反電動勢感應(yīng)的階段。反電動勢信號通過環(huán)路中查詢的比較器總線控制寄存器軟件進(jìn)行分析，這一點與感應(yīng)狀態(tài)的中斷驅(qū)動操作不同。通過減少不必要的自由運(yùn)行階段操作時間，在馬達(dá)啟動期間，采用反電動勢信號分析可降低馬達(dá)電流的過載，自由運(yùn)行階段的特征為繞組電流較大。

（6）感應(yīng)旋轉(zhuǎn)階段

相位轉(zhuǎn)換由反電動勢信號啟動，通過LPF可以在相位平面上延遲該信號。這是主要的馬達(dá)操作階段。繞組換向的周期由周期計數(shù)器測量，其準(zhǔn)確度等于PWM周期的1/32。采用PI調(diào)節(jié)器該值可用來調(diào)整轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率。計數(shù)器終端計數(shù)中斷可用來產(chǎn)生中斷時間來等待適當(dāng)?shù)姆措妱觿菪盘枴?/P>

如果斷開時間已過且未收到任何反電動勢信號，則控制狀態(tài)機(jī)會退出感應(yīng)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)、切換到停止?fàn)顟B(tài)，并增大驅(qū)動器啟動嘗試計數(shù)器的最大值。當(dāng)該計數(shù)器達(dá)到閾值時，驅(qū)動器切換到完全停止階段，并打開LED錯誤指示燈。

PI調(diào)節(jié)器將計算PWM占空比，以保持恒定的轉(zhuǎn)速，并且每到第六次換向周期相位時激活一次。這對應(yīng)于一個電馬達(dá)周期。在此環(huán)路中查詢速度設(shè)置開關(guān)，如果讀取到新的值，則設(shè)置新的LPF時鐘頻率及新的PI調(diào)節(jié)器的參考值。

為了設(shè)計出最佳的轉(zhuǎn)速控制PI調(diào)節(jié)器，應(yīng)了解以下特征：
·有載與空載的馬達(dá)轉(zhuǎn)換功能；
·調(diào)節(jié)控制參數(shù)，如合適的控制過沖與最長的速度設(shè)置時間。
由于此方案是為了演示在無傳感器BLDC馬達(dá)控制中的PSoC，因此采用簡單的方法來實施PI調(diào)節(jié)器。

IR2130驅(qū)動器故障的下降沿可觸發(fā)中斷，從而關(guān)閉所有電橋晶體管、退出當(dāng)前狀態(tài)、進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)，并打開LED D1指示燈。如上所述，在延遲幾秒時間后，馬達(dá)會進(jìn)行幾次從停止?fàn)顟B(tài)重新啟動的嘗試。

在感應(yīng)狀態(tài)下也會檢測達(dá)到一定速度的額定時間。如果在預(yù)定的中斷時間內(nèi)，馬達(dá)轉(zhuǎn)速未達(dá)到額定值的7/8，則驅(qū)動器將退出感應(yīng)狀態(tài)并切換到停止?fàn)顟B(tài)。用馬達(dá)旋轉(zhuǎn)周期來測量這一時間。LED D3顯示達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的時間超出中斷時間。

4．小結(jié)

本應(yīng)用手冊向您展示了PSoC無傳感器BLDC馬達(dá)驅(qū)動器。只需稍微修改一下硬件與軟件，即可使用該驅(qū)動器來控制BLDC。進(jìn)一步資料，請訪問www.psocdeveloper.com/docs/appnotes/an-mode/detail/an-pointer/an2170/an-file/an2170_01.pdf.html。