在PSoC4平台上开发传感器BLDC电机控制系统
时间：12-15
来源：互联网
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1. 引言
Cypress在2013年推出了可编程片上系统PSoC（Programmable System on Chip）家族的最新产品PSoC4，采用ARM Cortex-M0作为处理核心。PSoC4完全继承了PSoC芯片家族本身的高度可编程的灵活性，并融合了Cortex-M0高性价比的处理器核架构，使得PSoC4系列产品成为一个具有高度可扩展性的处理器平台，在性价比、功耗等方面优势显著。更值得一提的是，PSoC4针对电机控制提供了完整和极具特色的片内资源，因此工程师在PSoC4上开发电机控制系统时将更加直观与快捷。
PSoC4产品系列目前推出的是CY8C4100和CY8C4200两个入门级产品系列。本文即以CY8C4200为例，介绍如何在PSoC4上开发有传感器的三相无刷直流电机控制系统。
2. PSoC4架构及与电机控制相关的片内资源简介
PSoC 4是基于ARM Cortex-M0 CPU（处理器）的可编程嵌入式系统控制器家族，为嵌入式应用提供了强大的可编程平台。它集合了可编程模拟资源、可编程内部互联、用户可编程数字逻辑、通用的固定功能外设计以及高性能的ARM Cortex-M0 CPU子系统。
图1是PSoC4的系统框图。限于篇幅，本文将主要概括与无刷直流电机控制相关的片内资源特性，详细内容可以参考Cypress网站上的PSoC4的数据手册。
●高达48MHz，43 DMIPS 的32位Cortex-M0 CPU，支持单周期乘法
●多达32 KB Flash及4KB SRAM内存
●四个独立的可支持中央对齐的TCPWM，支持互补的可编程死区及同步ADC操作
●两个支持比较器模式及SAR ADC输入缓冲功能的运算放大器
●两个电流数模转换器（IDAC），可以输出给内部模块，或通过GPIO输出到外部成为可定制的用户电流源。
●四个可编程数字逻辑模块(UDB)
●一个支持零开销通道切换功能的12位1 Msps ADC
●CapSense驱动
3. 有传感器无刷直流电机控制原理及主要商用控制方案分析
① 无刷直流电机控制原理
无刷直流(Brushless Direct Current, BLDC)电机正在汽车、家电、工业自动化、航空航天及医疗设备领域获得广泛的应用，并将继续逐步取代有刷电机。由于采用电子换相，BLDC电机具有更长的寿命和更小的运转噪音。此外，随着软磁材料技术的进一步提高和价格的不断下降，BLDC电机将更多的采用高性能的钕铁硼稀土材料制作永磁转子，其较高的磁能积和稳定的特性使BLDC电机拥有更好的机械特性和动态响应，更高的效率和转速范围。因此，在环境和性能要求比较苛刻的中高端应用中，BLDC电机将获得进一步的推广。
从电机结构原理上来说，BLDC电机定子和转子磁场具有相同的频率和转速，因此是同步电机的一种。定子绕组可绕制成单相、两相和三相，其中三相BLDC电机因输出功率大、转矩脉动小和效率高应用最广泛。本文的研究对象也将放在三相BLDC电机的控制系统上。
三相BLDC电机采用两相顺序通电模式产生旋转磁场，定子各相绕组的导通与否由转子位置唯一确定，以保证转子能够始终输出最大转矩。由于取消了自动换向的机械电刷，因此需要实时检测转子的空间位置，霍尔效应传感器因其较高的性价比和安装方便被广泛采用。对于两相导通的三相BLDC电机来说，每个电周期分成6个不同的通电区间，因此需要三个霍尔传感器来进行分区。图2为典型的霍尔传感器输出信号与相应的导通相之间的关系图，霍尔传感器的每一个变化都要求导通相的实时改变，电机即按照既定的逻辑连续顺序运行。
目前各大主流半导体厂商均推出了各自的有传感器BLDC电机控制方案，技术类似，也比较成熟。概括说来，将三路霍尔传感器的输出接到MCU的输入引脚上，每一路电平的变化将会触发中断，在中断服务程序中根据图2的逻辑来查表改变相应的导通相，达到换向的目的。
图3为市场上的主流商用方案示意图，通过简单的分析我们可以发现MCU通过中断服务程序来进行换相，在对电机电流的监控上，电流信号由外部采样及运放电路送入ADC后由软件程序来比较判断是否过流并关断PWM输出，保护电机及电路系统。
Cypress在2013年推出了可编程片上系统PSoC（Programmable System on Chip）家族的最新产品PSoC4，采用ARM Cortex-M0作为处理核心。PSoC4完全继承了PSoC芯片家族本身的高度可编程的灵活性，并融合了Cortex-M0高性价比的处理器核架构，使得PSoC4系列产品成为一个具有高度可扩展性的处理器平台，在性价比、功耗等方面优势显著。更值得一提的是，PSoC4针对电机控制提供了完整和极具特色的片内资源，因此工程师在PSoC4上开发电机控制系统时将更加直观与快捷。
PSoC4产品系列目前推出的是CY8C4100和CY8C4200两个入门级产品系列。本文即以CY8C4200为例，介绍如何在PSoC4上开发有传感器的三相无刷直流电机控制系统。
2. PSoC4架构及与电机控制相关的片内资源简介
PSoC 4是基于ARM Cortex-M0 CPU（处理器）的可编程嵌入式系统控制器家族，为嵌入式应用提供了强大的可编程平台。它集合了可编程模拟资源、可编程内部互联、用户可编程数字逻辑、通用的固定功能外设计以及高性能的ARM Cortex-M0 CPU子系统。
图1是PSoC4的系统框图。限于篇幅，本文将主要概括与无刷直流电机控制相关的片内资源特性，详细内容可以参考Cypress网站上的PSoC4的数据手册。
●高达48MHz，43 DMIPS 的32位Cortex-M0 CPU，支持单周期乘法
●多达32 KB Flash及4KB SRAM内存
●四个独立的可支持中央对齐的TCPWM，支持互补的可编程死区及同步ADC操作
●两个支持比较器模式及SAR ADC输入缓冲功能的运算放大器
●两个电流数模转换器（IDAC），可以输出给内部模块，或通过GPIO输出到外部成为可定制的用户电流源。
●四个可编程数字逻辑模块(UDB)
●一个支持零开销通道切换功能的12位1 Msps ADC
●CapSense驱动
图1： PSoC4芯片系统框图
3. 有传感器无刷直流电机控制原理及主要商用控制方案分析
① 无刷直流电机控制原理
无刷直流(Brushless Direct Current, BLDC)电机正在汽车、家电、工业自动化、航空航天及医疗设备领域获得广泛的应用，并将继续逐步取代有刷电机。由于采用电子换相，BLDC电机具有更长的寿命和更小的运转噪音。此外，随着软磁材料技术的进一步提高和价格的不断下降，BLDC电机将更多的采用高性能的钕铁硼稀土材料制作永磁转子，其较高的磁能积和稳定的特性使BLDC电机拥有更好的机械特性和动态响应，更高的效率和转速范围。因此，在环境和性能要求比较苛刻的中高端应用中，BLDC电机将获得进一步的推广。
从电机结构原理上来说，BLDC电机定子和转子磁场具有相同的频率和转速，因此是同步电机的一种。定子绕组可绕制成单相、两相和三相，其中三相BLDC电机因输出功率大、转矩脉动小和效率高应用最广泛。本文的研究对象也将放在三相BLDC电机的控制系统上。
三相BLDC电机采用两相顺序通电模式产生旋转磁场，定子各相绕组的导通与否由转子位置唯一确定，以保证转子能够始终输出最大转矩。由于取消了自动换向的机械电刷，因此需要实时检测转子的空间位置，霍尔效应传感器因其较高的性价比和安装方便被广泛采用。对于两相导通的三相BLDC电机来说，每个电周期分成6个不同的通电区间，因此需要三个霍尔传感器来进行分区。图2为典型的霍尔传感器输出信号与相应的导通相之间的关系图，霍尔传感器的每一个变化都要求导通相的实时改变，电机即按照既定的逻辑连续顺序运行。
图2：霍尔传感器信号与相绕组导通关系图
目前各大主流半导体厂商均推出了各自的有传感器BLDC电机控制方案，技术类似，也比较成熟。概括说来，将三路霍尔传感器的输出接到MCU的输入引脚上，每一路电平的变化将会触发中断，在中断服务程序中根据图2的逻辑来查表改变相应的导通相，达到换向的目的。
图3为市场上的主流商用方案示意图，通过简单的分析我们可以发现MCU通过中断服务程序来进行换相，在对电机电流的监控上，电流信号由外部采样及运放电路送入ADC后由软件程序来比较判断是否过流并关断PWM输出，保护电机及电路系统。
图3：BLDC电机主流商用方案示意图总的说来，与永磁同步电机和步进电机相比，BLDC电机的控制较为简单。各半导体厂商的解决方案结构大体类似，技术也日趋同质化。通过进一步的分析可以发现，电机的换相和电流的监控都在软件中完成，但是电流的放大与处理需要
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