单片机C868实现无传感器BLDC电机控制
引言
bldc具备诸多优势，例如外型紧凑、结构简单、高效率、低噪音、较长使用寿命等等，这种电机越来越广泛地应用于自动化、工业和消费类电子产品等领域。图1所示为典型的bldc电机框图，该电机包括一个梯形磁通的永磁同步电机、一个转子位置检测器(通常为三个霍尔传感器)和一个驱动电机的三相逆变器。另外，必须配置一个单片机(mcu)，输出特定的脉冲宽度调制(pwm)模式来驱动bldc电机。如同一个传统直流电机那样，电机的换流必须与转子位置同步，用户可以通过改变pwm的占空比来调节电机转速。
通常，电机中的三个霍尔传感器相互成60度角。也就是说，每隔60度其中一个传感器就会变换其状态，完成一次电循环需要进行6次状态变换。在这种情况下，定子的相电流始于霍尔传感器信号转换后的30度，保持120度。为了使电机正常运行，mcu的输出模式(换流顺序)应当依据输入模式(转子位置信号)来确定，输入转子位置信号模式与输出pwm模式相结合，即构成换流表。
图1 bldc电机框图
图2 capcom6e框图
单片机c868和capcom6e单元
c868是英飞凌公司8位单片机产品家族中的新成员，可为各种应用和系统提供低成本的先进控制功能。借助功能强大的片上pwm发生单元capcom6e，c868满足了对低成本、高实时性的电力电子控制的所有要求。利用灵活的capcom6e，由硬件/软件处理所有对时间要求十分苛刻的任务，而cpu则处理用户命令，并可进行相应的控制运算。内置的5通道8位adc所具备的同步特性有助于测量无噪音相关的系统参数。
capcom6e可驱动多种类型的电机(交流异步电机im、直流无刷电机bldc和开关磁阻电机srm等)，它是基于此类pwm单元十多年的研发的最新成果。capcom6e具备以下特性：
—t12具有三个捕捉/比较通道，每个通道有两个输出，可用作捕捉通道或比较通道，并且具备死区时间控制，可避免电源电路出现短路。t12有中心对齐、边缘对齐、单脉冲触发模式和滞环控制等控制模式。对于bldc电机控制，通道1可用于捕捉速度，通道2可用作相位延迟，而通道3可用作超时功能。
—t13有一个独立的比较通道和1路输出，可生成高速pwm信号，并控制占空比。t13也支持单脉冲触发模式，可与t12同步。pwm信号可自动迭加至t12的6路输出中任何一路(或全部)的有效电平上。对于bldc电机控制，通过t13 pwm的占空比调节电机速度。
如图2所示，cc60-cc62和cout60-cout62是用于驱动电机的6个基本输出信号。对于bldc电机控制，应当通过三个输入口ccpos0-ccpos2(转子位置反馈信号)的状态来控制输出信号。t13生成的高频pwm信号具有高达50ns的分辨率，加至t12的cc60-cc62和cout60-cout62输出中的任何一个有效电平。ctrap是紧急中断输入。如果该输入为低，cc60-cc62和cout60-cout62将立即变为预定义的电平，以实现过流/过压保护。用户仅需设置各种寄存器的值，例如周期寄存器、比较寄存器、偏移寄存器等等，即可快捷地控制capcom6e。
值得指出的是借助capcom6e，用户可通过软件建立任何块交换表(或状态机)，同时由硬件生成相应的pwm输出信号。这样可以非常灵活地实现任何控制要求。下面的例子是以定义自制的块交换表的源代码。数组下标hall_patterns_number 从0至5。
// hall patterns
ubyte hallpatterns [hall_patterns_number]=
{
0x25, // current=100 expected=101
0x29, // current=101 expected=001
0x0b, // current=001 expected=011
0x1a, // current=011 expected=010
0x16, // current=010 expected=110
0x34, // current=110 expected=100
};
ubyte pwmpatterns[ hall_patterns_number]=
{
0x18, // u=0 v=- w=+ cout62/cc62=01 cout61/cc61=10 cout60/cc60=00
0x12, // u=- v=0 w=+ cout62/cc62=01 cout61/cc61=00 cout60/cc60=10
0x06, // u=- v=+ w=0 cout62/cc62=00 cout61/cc61=01 cout60/cc60=10
0x24, // u=0 v=+ w=- cout62/cc62=10 cout61/cc61=01 cout60/cc60=00
0x21, // u=+ v=0 w=- cout62/cc62=10 cout61/cc61=00 cout60/cc60=01
0x09 // u=+ v=-w=0 cout62/cc62=00 cout61/cc61=10 cout60/cc60=01
};
图3 无传感器c868 bldc系统(a)利用外部比较器
(b)利用a/d转换器
图4 capcom6e具备特殊功能用于bldc电机控制
无传感器的bldc控制
在有些应用中，不能使用霍尔传感器或其它直接检测转子位置的方法，因此需要采用间接方法来检测转子位置。对于如图3中所示的电机运行，探测电机反电势的过零点是获得电机转子位置最常见的方法。按照120度导电方式, 任何时间都有一相电机端子没有外加电压，因此可以在该相电机端子检测电机反电势来得知转子位置。
在图3(a)中，各个相位使用的霍尔传感器用三个电阻分压器和一个比较器替代。比较器向c868提供三个转子位置信号。capcom6e特别适用于这个解决方案，因为它的每路输入均有一个噪声滤波器可抑制噪音，并具备相位延迟功能，可调节相位角度，如图4所示。
如图4所示，通过设置t12计时器的死区时间定时器，用户可以定义噪音抑制窗口，通过设置t12通道1的比较值，用户可以使t12输出发生相位延迟，通过设置t12通道2的比较值，用户可以了解有多长时间输入没有变化。t12通道0为捕捉模式，以测量实际速度。
在图3(b)中，电机端子电压可由c868的a/d转换器检测，a/d转换可由t13溢出触发，通常，反电势信号有很大噪音，进行测量的最佳时机是在关闭电力电子开关的器件前的瞬间。此时正是t13溢出的时间。因此，每一次t13溢出均会触发一次adc测量。软件仅须读取该值并与预定义的阈值(过零点)进行比较。如果达到了该阈值点，软件将重设t12，以准备下一个pwm状态。当相位延迟结束后(因为反向电动势bemf过零点约比换流点提前30度)，t12通道1的比较事件将触发换流至下一个状态。实验结果表明c868 bldc系统的a/d方法是切实有效的。
结语
本文介绍了采用英飞凌公司最新推出的8位单片机 c868及其功能强大、灵活自如的pwm发生单元capcom6e实现无传感器bldc电机控制系统的方法。c868的capcom6e具有一个用户自定义的块交换表(状态机)，其卓越的灵活性为用户提供了很大应用空间，可实现任何bldc电机控制方案。c868所带a/d转换器的同步功能和capcom6e的相位延迟功能可以进行精确的无噪声的反电势测量。实验结果证明c868确实非常适合无传感器bldc电机控制。
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通常，电机中的三个霍尔传感器相互成60度角。也就是说，每隔60度其中一个传感器就会变换其状态，完成一次电循环需要进行6次状态变换。在这种情况下，定子的相电流始于霍尔传感器信号转换后的30度，保持120度。为了使电机正常运行，mcu的输出模式(换流顺序)应当依据输入模式(转子位置信号)来确定，输入转子位置信号模式与输出pwm模式相结合，即构成换流表。
图1 bldc电机框图
图2 capcom6e框图
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—t13有一个独立的比较通道和1路输出，可生成高速pwm信号，并控制占空比。t13也支持单脉冲触发模式，可与t12同步。pwm信号可自动迭加至t12的6路输出中任何一路(或全部)的有效电平上。对于bldc电机控制，通过t13 pwm的占空比调节电机速度。
如图2所示，cc60-cc62和cout60-cout62是用于驱动电机的6个基本输出信号。对于bldc电机控制，应当通过三个输入口ccpos0-ccpos2(转子位置反馈信号)的状态来控制输出信号。t13生成的高频pwm信号具有高达50ns的分辨率，加至t12的cc60-cc62和cout60-cout62输出中的任何一个有效电平。ctrap是紧急中断输入。如果该输入为低，cc60-cc62和cout60-cout62将立即变为预定义的电平，以实现过流/过压保护。用户仅需设置各种寄存器的值，例如周期寄存器、比较寄存器、偏移寄存器等等，即可快捷地控制capcom6e。
值得指出的是借助capcom6e，用户可通过软件建立任何块交换表(或状态机)，同时由硬件生成相应的pwm输出信号。这样可以非常灵活地实现任何控制要求。下面的例子是以定义自制的块交换表的源代码。数组下标hall_patterns_number 从0至5。
// hall patterns
ubyte hallpatterns [hall_patterns_number]=
{
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0x21, // u=+ v=0 w=- cout62/cc62=10 cout61/cc61=00 cout60/cc60=01
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};
图3 无传感器c868 bldc系统(a)利用外部比较器
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如图4所示，通过设置t12计时器的死区时间定时器，用户可以定义噪音抑制窗口，通过设置t12通道1的比较值，用户可以使t12输出发生相位延迟，通过设置t12通道2的比较值，用户可以了解有多长时间输入没有变化。t12通道0为捕捉模式，以测量实际速度。
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