基于PSoC3芯片的无位置传感器BLDC电机控制

摘要
本文介绍基于新一代可编程片上系统芯片PSoC3(CY8C3866AXI-040)的无位置传感器无刷电机（BLDC）控制方案 。PSoC3 片内丰富的资源减少了BLDC无传感器控制对外部器件的依赖。借助于片内模拟多路选择器，一个比较器模块就能采样三路反电势信号。而比较器的时钟同步功能可以在PWM高电平时刻对反电势信号进行采样，并将之与母线电压做比较以获取反电势过零点。此外，该芯片在处理电机控制的同时还可以处理电容感应按键扫描以及与上位机通讯等任务。
Keyword： BLDC sensor-less control, Programmable system on chip
关键词：无刷直流电机　无位置传感器　可编程片上系统

引言
　　相比传统的有刷直流电机而言，无刷直流电机（BLDC）用电控制装置取代了电刷和换向器，提高了电机的可靠性，减小了电机的噪音，并且方便了电机的维护，正在许多领域获得广泛应用。无刷直流电机的换相是借助于安装在电机定子上的位置传感器（光学，磁性等元件）实现的。常用的三相六状态120度控制方式保证在任何时刻有两项绕组导通，另外一项绕组不导通。当转子转到一定位置时，位置传感器输出信号发生变化提示控制器进行换相。　其换相逻辑如图1所示：

　　　
　　　　　　图1　带霍尔传感器的无刷直流电机换相状态图

　然而，位置传感器的使用带来一些缺点：增加电感器生产电机的成本和体积，增加了内部连线降低了系统的抗干扰性，　在特定场合（高温，强震动，高腐蚀性）容易实效等。因而，近些年来，随着控制芯片的性能的日益强大，无传感器的BLDC电机控制逐渐成为研究热点。
无传感器的转子位置检测
无刷直流电机的无位置传感器控制的关键技术在于转子位置信息的获取及估算方法。无位置传感器检测方法主要包括反电动势过零点检测法、反电动势三次谐波积分检测法、续流二极管检测法、反电动势积分法、磁链估计法、扩展卡尔曼滤波法等。本文所采用的位置检测方法为经典的反电势过零点检测法。其原理如下：


图2 无刷电机驱动电路拓扑
图2为典型的三相星型连接的无刷电机驱动电路拓扑。Va， 功率电感器Vb，Vc为三相端电压，Vn为中性点电压。假定C相为非通电相，则根据电机方程有：
(1)

其中E为反电势，I为相电流，L为电感。
A相电流与B相电流大小相等，流向相反。

基于式（8）， 采样端电压可以推算出Ec的过零点。而种算法又有如下的细分算法：
1） 直接应用式（8），同时用ADC去采样三相电压。
2）在PWM 输出信号为OFF时采样非通电相电压，将之与零电压比较。

因为在此时，由式（8）得到：

忽略二极管和功电感线圈率管的保护压降，Vc的过零点就是Ec的过零点。
3）在PWM 输出信号为OFF时采样非通电相电压，将之与母线电压的一半比较。

在此时，

由式（8）得到：

所以，忽略二极管和功率管的保护压降， Ec的过零点就是Vc与母线电压一半比较翻转的点。

综合上述算法，1）的算法简单明了，但对ADC模块的要求较高，要求同时采多路电压。并且需电感器厂家要ADC的采样与PWM同步以消除PWM斩波所带来的噪声。2）的算法在低速时比较有优

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