基于PSoC的无位置传感器无刷直流电机控制器的设计与实现

尚 君，冯明旭

(重庆交通大学机电与汽车工程学院，重庆 南岸 400074)

无刷直流电机(Brushless DC Motor，BLDCM)是随着新型电力电子器件和永磁材料的发展而成熟起来的一种新型电机.它属于同步电机的范畴，既有运行可靠的优点，又有像有刷直流电机一样的调速性能.然而，传统的无刷直流电机需要附加转子位置传感器，在恶劣工作环境中信号线易引入干扰且常规传感器无法使用，无疑大大降低了电机的可靠性［1］.

无位置传感器技术解决了无刷电动机位置传感器难以安装和维护的弊端，而且具有快速可靠、高效率、结构简单、体积小等特点，因此在许多领域都有广泛的应用.本文采用目前最广泛应用的反电动势过零点检测法，基于PSoC芯片设计并实现了无刷直流电机驱动控制器.

1 PSoC概述

PSoC(Programmable System on Chip)是Cypress半导体公司生产的8位MCU核并具有数字与模拟混合信号阵列的可编程片上系统，它集3种可编程功能为一体，不仅有MCU的可编程能力，还有部分可编程逻辑运算的功能，提供了可编程模拟阵列，通过控制或配置寄存器，使三者相互作用、协调工作.

CY8C24533使用8位哈佛结构处理器内核(M8C CPU)，它具有独立的程序存储器和数据存储器总线，处理器速度可达24 MHz.拥有丰富的M8C架构指令，系统提供便捷的寻址方式［2］.CY8C24533有4个模拟模块和4个数字模块.片内的模拟模块可以配置各种模拟周边功能，如差分放大器、比较器、可编程滤波器、可编程增益放大器等.片内数字模块可配置成各种各样的用户模块，如实时时钟、时间定时器、全双工(UART)、串行主从通信(SPI)、循环冗余校对模块、脉宽调制(PWM)和死区脉宽调制(DB PWM)等功能模块.结合数字模块和模拟模块可以实施各种AD转换，如8和11位的△-∑模数转换，7到4位的增量式模数转换等.

CY8C24533的内部结构如图1所示［2］.

图1 CY8C24533内部系统资源框图

2 系统总体结构及工作原理

无刷直流电动机控制系统由CY8C24533主芯片、IR2101S前级驱动电路 、三相逆变电路 、反电势过零检测电路、过压限流保护电路、采样电路及各级电源供电电路构成，总体的系统结构图如图2所示.

图2 无刷直流电动机控制总体系统结构框图

系统的工作原理如下:图2中CY8C24533l输出3路上桥PWM和下桥全通控制信号经处理后，控制3片集成芯片IR2101组成的前级功率驱动电路，经后级电路，进而控制三相逆变电路中上下桥MOS管的两两通断，从而实现无刷直流电机的驱动及调速.

电机运行过程中，电压电流采样后，通过过压、限流保护电路，反馈给主芯片.过压限流保护电路是为了防止电压电流过大伤害电机本身，同时也防止电流过大，造成MOS管温度过高而损坏.

无位置传感器无刷直流电机关键点是换向问题.系统采用了反电势过零点的检测原理，通过构造中性点，进行比较后将得到的信号送入主芯片，经编程给定驱动电路信号控制逆变电路，供电机正常转动［3］.

关于电机启动，当BLDCM在低速或静止时的反电势很小或为零，因此无法准确获得反电势过零点的信号，从而无法判断转子位置而电机也无法自启动.此时需要通过其他的方法来启动电机.本系统采用三段式起动的原理，即转子预定位、外同步加速和外同步到自同步的切换.当转子达到一定的转速后，能够在定子绕组中感应出足够大的电动势，再选择合适的时机，将换向方法转换至反电动势过零点检测换相工作状态，完成电机的起动［4-5］.这样电机转向可控，且电机在达到一定转速后才切换.

3 主要硬件电路设计

3.1 功率驱动与逆变电路

下图为电机三相的其中一相的前级功率驱动和逆变电路图.

图3 电机功率驱动逆变电路

本文采用的是三相半桥的电路拓扑，选用IR2101S作前端驱动芯片.IR2101S是栅极驱动、双通道、高压高速功率的驱动器，该器件采用了高度集成的电平转换技术，且上管采用外部自举电容供电，使驱动电源数目较其他IC驱动大大减少，从而减少了电源数目，提高了系统可靠性，降低了产品成本.

3.2 反电势过零检测电路

如图4、图5所示，为反电势过零检测原理图及具体电路信号处理部分［6］.此检测电路主要由容阻分压、低通滤波和过零检测3部分电路组成.首先通过阻容分压电路，将得到所需要的端电压信号，经RC无源低通滤波电路滤波得到的信号与中性点电压进行比较，从而获得方波波形信号，将信号输入至主芯片，经软件程序处理后，作为电机的换相信号.

如图5中的框内所示，增加PWM控制的电阻分压开关电路，随着转速的增加减小采样电阻阻值，从而避免反电势幅值高于比较器的供电电压［7］.在实验过程中，通过参考电机转速线性调节控制信号的占空比，控制反电势幅值在一个安全的范围内，这样直接增大了过零检测在高速区时的使用范围.此反电势过零检测方法不仅有效地改善电机在低速时反电势难以检测的问题，还可以避免在高速时由于反电势幅值过高可能造成的电路损坏.

图4 反电势过零检测电路原理图

图5 反电势过零检测细节电路

3.3 过压、限流保护电路

如图6所示，采样信号为无刷直流电机母线电压电流.经保护电路的处理信号，送入主芯片，由软件编程设置电压、电流的阈值，直接对电压、电流进行检测并产生相应的保护，以免对电路和电机造成损害.

图6 过压、限流保护电路

3.4 电源供电模块

本系统电源为60 V直流供电.电路主供电源有+13.5 V及芯片供电+5 V.采用降压式变换电路(Buck电路)原理.具体电路如图7所示.

图7 降压电路13.5～5 V

4 控制方案

以上各硬件模块要在主芯片程序的协调下有序地工作，才可以完成无刷直流电机的驱动，这就需要软件系统发挥作用.

4.1 电子换相

电机要对转子位置进行精确检测，并用电子开关切换不同绕组通电以获得驱动动力，换相必须及时准确，否则容易导致控制器和电机烧毁.本系统采用PSoC中的中断来检测换相信号，这样芯片可根据获得信息进行后续任务.

图8 降压电路60～13.5 V

4.2 双闭环PI控制算法

在闭环控制中，一般是将反映电机的转速信号与预定转速控制信号相比较、放大后，用其差动量去校正控制对象，直至控制转速在一定范围内达到平衡.如图9所示，系统采用电流环和速度环相串联的双闭环控制.电机处于自同步运行状态时，控制器根据测出的电机位置切换信息，计算当前转速，并将速度给定信号与当前转速在主程序中进行PI计算可得到电流的参考值(速度环).电机绕组电流反馈信号由采样电阻从A/D口送入到主芯片，通过A/D转换得到当前电流值，并将得到的电流值与电流参考值进行PI计算(电流环)，通过电流环的PI调节算法计算PWM占空比的控制量，从而实现对电机驱动波形的脉宽调制，控制电机达到预定的转速.从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环;转速调节环在外，叫做外环.由此形成一个无刷直流电机转速电流双闭环控制系统，如图9所示.

图9 无刷直流电动机调速电流、转速双闭环结构原理图

4.3 过压、限流保护

为了提高软件级保护实时性，采用PWM中点采样法进行电流和电压的检测，这样在每个PWM稳定的时间进行电流电压采样可以提高精度和实时性.

5 测试分析

在实体电路设计完成后，进行了采样信号、换向信号、电机相电压信号的测试，如图10所示.该控制器能很好地控制电机进行换向和正常运转，从而验证了本设计的实用性.

图10 采样信号、换向信号及电机相电压信号采集

6 结语

本文基于PSoC设计了无位置传感器无刷直流电机的控制器，从软硬件上实现了电机的换相、检测、保护等设计，整个系统通过运用CY8C24533丰富的片内资源和高效的处理能力，设计速度环的PI控制、起动电机和电机速度反馈都由软件完成.该方案既可以应用于普通无刷直流电机控制，也可以用于一些特殊的场合.

［1］曾丽，吴浩列，肖莹.基于DSP的无位置传感器无刷直流电机控制系统的设计［J］.微电机，2010，43(10)：63-66.

［2］翁小平，黄建明，江小平.基于PSoC CY8C24533的电动自行车控制器的设计［J］.电子工程专辑，2008(3)：20-21.

［3］王大方，祝雅琦，金毅，等.一种新颖的无刷直流电机位置检测方法［J］.电工技术学报，2013(2)：30-31.

［4］吴曙光.无位置传感器无刷直流电机起动控制研究［D］.天津：天冿大学，2008(4)：37-38.

［5］周通，黄建，冯志涛.基于DSP的无传感器无刷直流电机启动控制研究［J］.微电机，2013(3)：40-42.

［6］姚常青.反电势过零检测新方法［J］.应用天地，2012(12)：51-52.

［7］朱俊杰，粟梅.无刷直流电机反电势过零检测新方法［J］.仪器仪表学报，2013(2)：83-85.