三相BLDC電機(jī)在汽車(chē)電子中應(yīng)用十分廣泛，例如座椅風(fēng)扇、充電小門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、主動(dòng)進(jìn)氣格柵以及空調(diào)出風(fēng)口等場(chǎng)景。對(duì)于這類(lèi)車(chē)載小型執(zhí)行機(jī)構(gòu)，工程師通常希望在滿足可靠性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低成本、小型化和輕量化設(shè)計(jì)。

針對(duì)這一需求，納芯微推出了專(zhuān)用小型電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 NSUC1610。該芯片在單器件中集成了車(chē)載高壓LDO、LIN PHY、Gate Driver、MOSFET以及基于ARM內(nèi)核的MCU，可為三相BLDC電機(jī)提供高度集成的控制方案，從而簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)并提升車(chē)載電機(jī)控制的可靠性。

本文將從BLDC電機(jī)的工作原理出發(fā)，介紹無(wú)感控制的基本方法，并結(jié)合NSUC1610的硬件架構(gòu)解析其三相BLDC驅(qū)動(dòng)方案的實(shí)現(xiàn)方式。

01 BLDC工作原理

無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）通過(guò)電子換向取代傳統(tǒng)有刷直流電機(jī)的機(jī)械換向，因此具有壽命長(zhǎng)、效率高以及功率密度高等優(yōu)勢(shì)。BLDC電機(jī)通常由三相定子繞組和永磁體轉(zhuǎn)子構(gòu)成。當(dāng)定子繞組通電后，根據(jù)電磁感應(yīng)原理會(huì)產(chǎn)生定子磁鏈；轉(zhuǎn)子永磁體則形成固定的轉(zhuǎn)子磁鏈。當(dāng)兩者之間存在一定角度差時(shí)，磁場(chǎng)會(huì)趨向于對(duì)齊，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

電機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩可表示為：T = I × (K_T × sinθ)

T是產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩

I為線圈內(nèi)的電流

K_T為電機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)

θ為定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈的角度

圖1.1 三相無(wú)刷電機(jī)磁鏈簡(jiǎn)圖

如圖1.1所示，當(dāng)定子 A 相與 C 相繞組導(dǎo)通時(shí)，兩相電流根據(jù)右手螺旋定則產(chǎn)生磁場(chǎng)，其磁鏈?zhǔn)噶刊B加后形成定子磁鏈（紅色）。轉(zhuǎn)子永磁體則產(chǎn)生固定方向的轉(zhuǎn)子磁鏈（深紅色）。當(dāng)定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈之間存在一定角度差時(shí)，磁場(chǎng)會(huì)趨向于對(duì)齊，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生順時(shí)針旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)（黑色）。

無(wú)感控制的基本原理是通過(guò)檢測(cè)六步換相過(guò)程中懸空相的反電動(dòng)勢(shì)變化來(lái)判斷轉(zhuǎn)子位置，從而確定合適的換相時(shí)刻。在電機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)切割定子繞組，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，繞組中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，即反電動(dòng)勢(shì)。

如圖1.2所示，以 A、C 兩相施加 12V 電壓為例，此時(shí) B 相處于懸空狀態(tài)，其反電動(dòng)勢(shì)Vbe會(huì)經(jīng)歷由負(fù)到正的變化過(guò)程。由于三相電機(jī)的虛擬中性點(diǎn)電壓約為母線電壓的一半（約6V），因此 B 相的相電壓可表示為6 + Vbe。

當(dāng)檢測(cè)到 B 相電壓等于 6V 時(shí)，說(shuō)明反電動(dòng)勢(shì)發(fā)生過(guò)零，此時(shí)轉(zhuǎn)子位于兩個(gè)換相點(diǎn)之間。通過(guò)延遲約 30° 電角度進(jìn)行換相，即可實(shí)現(xiàn)正確的六步換相控制，其余扇區(qū)的換相過(guò)程同理。

圖1.2 BLDC感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

三相BLDC需要三個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)，其拓?fù)鋱D1.3所示。

圖1.3 三相半橋逆變驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

02NSUC1610 介紹

NSUC1610內(nèi)部集成了豐富的電機(jī)控制外設(shè)，包括 3路捕獲比較模塊（CAPCOM）、3路反電動(dòng)勢(shì)比較器（BEMFC）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、PWM控制模塊、溫度傳感器、4路MOSFET半橋輸出（MOUT）以及LIN通信接口（LIN PHY） 等。

其中，片上的 4路MOUT半橋驅(qū)動(dòng)可直接驅(qū)動(dòng)小功率直流有刷電機(jī)、三相無(wú)刷直流電機(jī)以及兩相四線步進(jìn)電機(jī)，并可通過(guò)不同控制算法實(shí)現(xiàn)多種電機(jī)控制應(yīng)用。

此外，芯片內(nèi)置的 BEMFC反電動(dòng)勢(shì)比較器支持BLDC電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)，可用于實(shí)現(xiàn)BLDC電機(jī)的無(wú)感六步方波控制。

圖2.1展示了NSUC1610的內(nèi)部資源框圖。

圖2.1 NSUC1610內(nèi)部資源框圖

03 基于NSUC1610的BLDC方波控制

BLDC常見(jiàn)的控制方式為六步方波控制。在每個(gè)換相周期中，三相繞組中兩相導(dǎo)通，一相懸空，通過(guò)按照特定的導(dǎo)通順序切換各相繞組的通斷狀態(tài)，即可驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)（CW）或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)（CCW）。

在 CW（順時(shí)針）模式下，扇區(qū)切換順序?yàn)椋?/p>

SECTOR0?1?2?3?4?5?0

圖3.1展示了扇區(qū)0~5對(duì)應(yīng)的三相電流與反電動(dòng)勢(shì)波形，其中綠色曲線表示相電流，藍(lán)色虛線表示相電壓（反電動(dòng)勢(shì)）。

圖3.1 CW 模式下不同扇區(qū)對(duì)應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)波形

在 CCW（逆時(shí)針）模式下，扇區(qū)切換順序?yàn)椋?/p>

SECTOR0?5?4?3?2?1?0

扇區(qū)0~扇區(qū)5的三相電流和反電動(dòng)勢(shì)波形如圖3.2所示。

圖3.2 CCW 模式下不同扇區(qū)對(duì)應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)波形

在一個(gè)電角度旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，BLDC三相繞組的相電壓變化如圖3.3所示。當(dāng)發(fā)生換相時(shí)，原本導(dǎo)通的繞組會(huì)進(jìn)入浮空狀態(tài)，但由于線圈中仍然存在電流，電感電流無(wú)法瞬間降為零，因此會(huì)產(chǎn)生一段退磁時(shí)間（Demagnetization Time）。

在這一階段，繞組中的續(xù)流電流仍然存在，使得相電壓主要由續(xù)流電流產(chǎn)生的電壓分量決定，此時(shí)測(cè)得的反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)尚不能準(zhǔn)確反映轉(zhuǎn)子位置。待繞組中的能量逐漸釋放完畢后，繞組電壓重新由切割磁力線產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)主導(dǎo)，此時(shí)的反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)才可作為轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)和換相控制的依據(jù)。

圖3.3 電機(jī)繞組三相電壓波形

在續(xù)流結(jié)束后，使能反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)。當(dāng)檢測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)時(shí)，通過(guò)CAPCOM模塊捕獲該時(shí)刻，并設(shè)置比較值用于實(shí)現(xiàn) 30°電角度延時(shí)換相。

下一次換相比較值計(jì)算如下：

NextCompare = CaptureVal + (LastStepAvg / 2)

圖3.4展示了各變量對(duì)應(yīng)的時(shí)間關(guān)系。

為了避免在某些扇區(qū)未檢測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)的情況，在每次換相后還會(huì)設(shè)置 強(qiáng)制換相點(diǎn)（Forced Commutation）。當(dāng)系統(tǒng)未檢測(cè)到過(guò)零信號(hào)時(shí)，電機(jī)會(huì)在該強(qiáng)制換相點(diǎn)執(zhí)行換相，從而避免因過(guò)零檢測(cè)失敗導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行異常。

其中 LastStepAvrg 表示最近六個(gè)扇區(qū)時(shí)間的平均值。

圖3.4 電機(jī)換相邏輯圖

BLDC無(wú)感六步方波控制的核心在于反電動(dòng)勢(shì)（BEMF）的過(guò)零檢測(cè)。通過(guò)檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)的上升沿或下降沿，可以確定轉(zhuǎn)子的電角度位置，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)換相控制。

下面介紹 NSUC1610 中反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)的硬件實(shí)現(xiàn)方式。

NSUC1610內(nèi)部集成了 三個(gè)反電動(dòng)勢(shì)比較器（BEMFC0、BEMFC1、BEMFC2），用于實(shí)現(xiàn)三相反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零檢測(cè)。比較器的輸出結(jié)果可作為 虛擬三相 Hall 信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng)三相BLDC無(wú)感六步方波控制算法。

具體實(shí)現(xiàn)方式如下：三相電壓的虛擬中性點(diǎn)（Virtual Star Point）連接至BEMFC0、BEMFC1、BEMFC2 的正向輸入端；各相橋臂電壓分別連接至比較器的反向輸入端，其中：

mout0 連接至 BEMFC0 的反向輸入端

mout2 連接至 BEMFC1 的反向輸入端

mout1 連接至 BEMFC2 的反向輸入端

其硬件連接關(guān)系如 圖3.5 所示。

圖3.5 反電動(dòng)勢(shì)比較器的輸入通道連接方式

反電動(dòng)勢(shì)比較BEMFC模塊的配置代碼如下：

BEMFC->CR2_b.BRM   = 0; // 0：虛擬星點(diǎn)參考 1：相位電壓參考
BEMFC->CR2_b.BIS0  =0; //0：電壓傳感輸入1：電流傳感輸入
BEMFC->CR2_b.BIS1  =0; //0：電壓傳感輸入1：電流傳感輸入
BEMFC->CR2_b.BIS2  =0; //0：電壓傳感輸入1：電流傳感輸入

BEMFC0、BEMFC1 和 BEMFC2 的比較輸出分別連接至 CAPCOM0、CAPCOM1 和 CAPCOM2，用于實(shí)現(xiàn)反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)的捕獲。其中：

CAPCOM0 用于捕獲 mout0 的過(guò)零點(diǎn)

CAPCOM1 用于捕獲 mout2 的過(guò)零點(diǎn)

CAPCOM2 用于捕獲 mout1 的過(guò)零點(diǎn)

通過(guò)將 CAPCOM 的輸入源配置為 BEMFC 比較器輸出，即可在反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零時(shí)觸發(fā)捕獲事件。配置代碼如下：

CAPCOM->CCR_b.CIS0 =1; // CAPCOM source:0:GPIO1:BEMFC
CAPCOM->CCR_b.CIS1 =1; // CAPCOM source:0:GPIO1:BEMFC
CAPCOM->CCR_b.CIS2 =1; // CAPCOM source:0:GPIO1:BEMFC

當(dāng)電機(jī)以 CW 或 CCW 方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，在同一扇區(qū)內(nèi)浮空相的反電動(dòng)勢(shì)變化趨勢(shì)保持一致，即呈現(xiàn) 遞增或遞減的特性。

以 扇區(qū)0 為例，無(wú)論電機(jī)以 CW 還是 CCW 方向旋轉(zhuǎn)，浮空相 MOUT2 的反電動(dòng)勢(shì)均呈 遞增趨勢(shì)（↗），因此需要檢測(cè)其上升過(guò)零點(diǎn)。

六個(gè)扇區(qū)中需要檢測(cè)的通道及對(duì)應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)變化趨勢(shì)總結(jié)如 表3.6 所示。

表3.6不同扇區(qū)對(duì)應(yīng)的檢測(cè)通道

表3.7不同扇區(qū)CAPCOM配置

通過(guò)上述配置，利用 NSUC1610 的片上資源即可實(shí)現(xiàn)對(duì) BLDC 浮空相反電動(dòng)勢(shì)的檢測(cè)與捕獲。

在 NSUC1610 的硬件模塊與控制算法協(xié)同作用下，可實(shí)現(xiàn) BLDC 從 電機(jī)啟動(dòng)到速度閉環(huán)運(yùn)行的完整控制流程。圖3.8展示了 NSUC1610 驅(qū)動(dòng)下的 BLDC 三相電壓與電流波形。

從測(cè)試結(jié)果可以看出，電機(jī)啟動(dòng)及運(yùn)行過(guò)程中三相電流過(guò)渡平滑，未出現(xiàn)明顯電流尖峰，驗(yàn)證了該方案能夠?qū)崿F(xiàn) 穩(wěn)定可靠的 BLDC 啟動(dòng)及閉環(huán)控制。

圖3.8 NSUC1610 驅(qū)動(dòng)下的 BLDC 三相電壓與電流波形

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通過(guò)將MCU、LIN通信、電機(jī)驅(qū)動(dòng)以及功率MOSFET等功能高度集成在單芯片中，NSUC1610能夠顯著簡(jiǎn)化BLDC電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。結(jié)合內(nèi)置反電動(dòng)勢(shì)比較器和CAPCOM模塊，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的無(wú)感六步控制方案。

該方案非常適用于汽車(chē)小型執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)用，例如主動(dòng)進(jìn)氣格柵、充電小門(mén)以及座椅風(fēng)扇等場(chǎng)景，為汽車(chē)電子系統(tǒng)提供了一種高集成度、低成本且易于開(kāi)發(fā)的電機(jī)控制解決方案

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審核編輯 黃宇