用于驱动无传感器 bldc 电机的优化控制方案有哪些（用于驱动无传感器 bldc 电机的优化控制方案是什么）

我们将讨论用于驱动无传感器BLDC 电机的优化控制方案，并展示微控制器外设互操作性在这些应用中的重要性和优势。我们还将向您介绍一些可用于无传感器BLDC 电机控制应用的最新微控制器。

随着对提高效率和可靠性的需求不断增加，无刷直流(BLDC) 电机的使用在过去几年中稳步增加。白色家电、汽车、冷却、航空航天、医疗和工业自动化等行业的变速电机应用现在使用BLDC 电机，而不是其他类型的电机，例如有刷直流和交流感应电机。由于BLDC 电机的驱动电子设备更加复杂，半导体行业为这些应用提供了更具成本效益的解决方案。

BLDC电机有多种控制方式；使用哪种方法的决定取决于应用程序的要求。在基于传感器的BLDC 控制应用中，霍尔效应元件集成到电机中，以检测转子位置以实现驱动同步。通常使用三个霍尔传感器；每个传感器为180 电动旋转提供高信号，为其他180 提供低信号。三个传感器相距120，从而将旋转分为六个阶段（即六步换向）。微控制器从这三个传感器读取该信息以确定转子的位置。在此方案中，微控制器始终知道转子位置- 即使电机停止- 并且可以轻松确定控制回路所需的正确换向序列。然而，这种方法会带来霍尔效应传感器的成本损失，更不用说制造这些电机所需的额外组装和接线步骤了。

相比之下，更具成本效益的无传感器控制方案使用反电动势信号检测，该信号由BLDC 电机中未通电的相绕组产生（感应）；该信号信息用于同步控制环路的定时。实际上，可以取消霍尔传感器，但推论是转子必须首先移动（以产生反电动势），然后才能获得任何位置信息。虽然这个特殊问题确实限制了无传感器控制方案的应用类型，但仍然有许多有效的最终产品可以利用其较低的成本。例如，风扇和鼓风机是此类控制方案的绝佳选择。

当今市场上有许多基于微控制器的解决方案，从简单的低成本8 位设备到更高性能的16 位和32 位设备，所有这些都具有驱动无传感器BLDC 电机所需的最少外设：一个3 A相位脉宽调制器（PWM）用于控制电机相位，ADC用于检测反电动势，比较器用于过流保护。

然而，由于MCU 上集成的一组外设是将其定位在应用中的关键，因此这些外设的互操作性会极大地影响MCU 在应用中的性能。像MIPS 这样的术语变得更加毫无意义，因为自主外设能够在无需CPU 干预的情况下提供应用程序所需的服务。

例如，Zilog 最近发布了Z16FMC 系列16 位微控制器，除了4 个链表DMA 通道之外，还提供ADC 和定时器之间以及比较器和PWM 输出之间的自动互操作。

BLDC 电机的无传感器控制需要具有快速中断响应的微控制器来实时处理PWM 更新。对于需要高速串行通信、PWM 解调、复杂用户界面和显示控制等附加功能的应用来说，核心电机控制外设自主运行的能力变得至关重要。

Z16FMC电机控制MCU框图

Z16FMC MCU特点

Z16FMC MCU 具有以下特点：

20 MHz ZNEO CPU 128 KB 内部闪存，具有16 位访问和在线编程(ICP) 4 KB 内部RAM，可无缝连接到外部数据存储器和外设外部接口：ISA 兼容模式12 通道，10 位模数转换器(ADC) 运算放大器模拟比较器支持内部或外部DMA 请求的4 通道直接存储器访问(DMA) 控制器支持本地互连网络(UART) 的全双工9 位通用异步接收器/发送器(UART) LIN）和红外数据协会（IrDA） 内部精密振荡器（IPO） 内部集成电路（I2C） 主/从控制器增强型串行外设接口（ESPI） 具有三个互补对或六个独立对的12 位脉宽调制（PWM）模块带死区生成和故障跳闸输入的PWM 输出三个带捕获、比较和PWM 功能的标准16 位定时器带内部RC 振荡器(WDT) 的看门狗定时器76 个通用输入/输出(GPIO) 引脚24 个具有可编程优先级的中断- 芯片调试器(OCD) 电压欠压(VBO) 保护上电复位(POR) 2.7 V 至3.6 V 工作电压，5 V 耐受输入0C 至+70C 标准温度和40C 至+105 C 扩展温度工作范围。 12位PWM模块具有三个互补对或六个独立的PWM输出，支持编程死区和故障安全跳闸输入提供输出控制； ADC转换时间为2s，可由PWM模块自动触发。特殊的时间戳功能可根据ADC 采样/保持自动捕获16 位定时器值。

外设互操作性

MCU 上集成的一组外设对于将其优化到应用中至关重要，但这些外设的互操作性会极大地影响应用中MCU 的性能。 Z16FMC 系列提供链表DMA 与ADC 和定时器（时间戳功能）之间以及比较器与PWM 输出（故障响应）之间的自动互操作。

脉宽调制时序

链表DMA

直接内存访问是一项允许数据在独立于CPU 的总线上传输的功能。链表DMA 通过使用提供源和目标信息以及指向下一个描述符的链接的描述符，将这个简单的概念提升到另一个层次，以进一步降低CPU 开销和实时响应要求。

此外，Z16F内核的多总线结构允许在从程序总线取指令的同时通过数据总线传输数据，进一步减少事务开销。

在无传感器BLDC 以及更复杂的永磁同步电机和矢量控制应用中，有两种基本方法可以利用此功能：

DMA 可用于自动更新电机控制PWM 定时器，同时CPU 处理所有其他系统级任务。 RAM 中存储的波表由CPU 根据需要进行更新，但将数据发送到PWM 模块则由DMA 处理。因此，CPU 可以从以PWM 频率速率处理中断的任务中解放出来。

DMA 可用于减轻CPU 负载并处理串行通信，以优化对PWM 控制器的实时响应。

速度控制时间戳功能

大多数微控制器至少使用一个专用比较器来检测输入反电动势电压信号的过零，以便可以同步和调整输出驱动脉冲以正确调节电机速度。另一种基于Zilog 电机控制MCU 的方法通过将ADC 与定时器互连来消除对该比较器的需求。

在这种情况下，定时器用于在反电动势电压与总线电压交叉的点生成中断。在此中断期间，计时器继续在后台运行并对反电动势和总线电压进行采样。定时器值根据电压（和电机方向）之间的差异进行更新，以将其锁定到电机的实际速度。该事件用于确定反转点并更新PWM，以有效调节电机速度。这种时间戳方法为电机在稳态下平稳运行提供了一种非常简单且经济高效的解决方案。

稳态速度控制的时间戳

失败响应

过流故障可能由多种不同原因引起，有时甚至是毁灭性的。电机绕组短路、电机引线短路、机械驱动和连杆问题、转子卡住或负载变化、电力设备故障或失火以及许多其他问题都可能发生——，其中一些是永久性的，一些只是暂时的。 Z16FMC 系列具有直接耦合到PWM 模块的过流比较器，从而确保真正的逐周期模式关断。这种方法可确保响应故障情况时的延迟最小。

在图4 中，检测电阻器中的电流产生的电压提供给比较器的负输入。您可以看到，当检测电阻器两端的电压增加到比较器阈值时，PWM 输出立即被驱动为低电平，直到下一个周期。一旦电压低于阈值，下一个PWM 周期就会正常生成。

PWM 对过流故障的响应

升级路径

Z16FMC 电机控制系列提供了从Z8FMC16100 系列的出色迁移路径，也适用于永磁同步电机(PMSM) 和交流矢量控制应用。

开发套件

Zilog 的无传感器BLDC 开发套件基于Z16FMC28 器件，并使用高效IXYS MOSFET，为控制30W 三相BLDC 电机提供非常经济的解决方案。它带有以下内容：

Z16FMC28 系列MDS 开发板BLDC 电机控制应用板无刷直流(BLDC) 电机光电隔离USB 智能数据线5V DC 通用电源Zilog Developer Studio II IDE 示例代码（带完整ANSI C 编译器）

所有源代码均随开发套件(Z16FMC28200KITG) 提供，可从Zilog 经销商处购买。欲了解更多信息，请访问Zilog网站：http://www.zilog.com。

参考设计操作

两个电机相在任何给定时间都通电，并且在未通电相的绕组中产生反电动势电压。检测该感应电压的过零以同步后续闭环控制事件。 Z8FMC16100 MCU 的时间戳功能使这一关键传感功能能够稳健、高效地实现，而无需额外的比较器。反电动势感应算法基于锁相环(PLL) 的实现。这种实施方式在启动期间特别有利，导致电机速度非常平稳地增加，以及根据命令几乎瞬时反转旋转方向。使用传统方法，在启动序列期间，绕组通电以将转子置于已知的启动位置，然后发生换向并启动反电动势感测和控制。相比之下，基于PLL 的方法可以从启动阶段开始锁定反电动势信号，而无需最初将转子放置在特定位置。此外，这种方法显着减少了电机在启动或方向反转期间的突然运动。

Z8FMC16100 参考设计

编辑：hfy