由于更高的可靠性，效率和更低的噪音，無刷直流（BLDC）電機正在取代傳統的有刷直流電機。這些在幾乎所有領域都很受歡迎，例如消費電子產品，家用電器和工業控制。開發高性能BLDC控制系統需要更高的精度。這是通過在大多數BLDC控制系統中使用閉環控制來實現的。

BLDC

BLDC電機優于有刷直流電機的優點是：

高效率

更可靠，無換向電弧 - 無需維護電刷

更高的速度和功率與尺寸比

定子產生熱量 - 易于拆卸

慣性較小 - 無換向器

加速度更高

BLDC電機比有刷直流電機更有效。對于相同的輸入功率，BLDC電機將比電刷電機更多的電能轉換為機械電源，因為電刷不會產生摩擦。在有刷電機設計中，電刷用于改變電磁鐵的磁極以保持電機旋轉。由于沒有刷子，沒有什么可以機械地處理極性變化。結果，需要電子控制器連續地切換繞組的相位，這將使電動機保持旋轉。為此，定子繞組按特定順序通電，如圖1所示.BLDC電機有三相。利用這種拓撲結構，為了移動電動機，在每個換向循環期間驅動兩相。一相驅動為高電平（VMotor），另一相驅動為低電平（GND）。剩下的階段是浮動的。每次換向步驟，電機都會移動60度。完成所有循環后，電機將完全移動360度。

要實現此順序，了解轉子位置非常重要。這可以通過使用傳感器來完成，例如霍爾效應傳感器（傳感控制），或通過感應反電動勢（無傳感器控制）?；魻栃獋鞲衅髑度攵ㄗ又?。當轉子磁極通過霍爾傳感器附近時，它們提供高或低信號，表明北極或南極正在附近通過。轉子的位置源自三個霍爾傳感器信號的精確組合。

本應用筆記介紹了Sensored BLDC。三個位置傳感器提供轉子的當前位置。位置傳感器以180電氣旋轉度旋轉每個。傳感器輸出和所需電機驅動電壓的時序圖如圖1所示。脈沖寬度調制（PWM）的可選使用提供速度或轉矩控制，如圖1中的A，B和C相所示。調制輸出控制信號（PWM）的周期是變化的，以改變電動機的速度和扭矩。

圖1：BLDC傳感器輸出與換向時序的關系。

PSoC 3

CY8C3866AXI器件屬于PSoC 3系列。該器件的框圖如圖2所示，BLDC應用程序中使用的塊突出顯示。

圖2：PSoC 3（CY8C3866AXI）框圖。

數字子系統

PSoC 3數字子系統提供功能和互連的獨特可配置性。子系統通過數字系統互連（DSI）將來自任何外設的數字信號連接到任何引腳。它還通過一系列小型，快速，低功耗通用數字模塊（UDB）和針對特定固定功能的小模塊提供功能靈活性。

UDB

為獲得最佳靈活性，每個UDB包含幾個組件：

基于ALU的8位數據路徑

兩個細粒度的PLD

控制和狀態模塊

時鐘和復位模塊

PSoC 3器件包含最多64個UDB的陣列。

通過UDB陣列進行靈活路由。

部分UDB可以共享或鏈接以啟用更大的功能。

靈活實現多種數字功能，包括但不限于定時器，計數器，PWM（帶死區發生器），UART， I2C，SPI和CRC生成/檢查。

PSoC 3器件中的固定功能定時器模塊為16位，可配置為定時器或PWM，在嵌入式系統中發揮重要作用。 PSoC 3最多提供四個Timer塊實例。如果需要額外的Timer塊，則在UDB中配置它們。定時器模塊具有各種時鐘源，并通過DSI連接到通用輸入/輸出（GPIO）。

可配置的數字功能塊也可用于其他特定功能。

模擬子系統

PSoC 3模擬子系統為該器件提供了獨特可配置性的后半部分。所有模擬性能均基于高精度絕對電壓基準，溫度和電壓誤差小于0.2％?？膳渲媚M子系統包括模擬復用器，比較器，模擬混頻器，運算放大器，電壓基準，模數轉換器（ADC），數模轉換器（DAC）和數字濾波器模塊（DFB）。所有GPIO引腳都可以使用內部模擬總線將模擬信號路由進出器件。此功能使設備可以連接多達62個離散模擬信號。

CY8C3866AXI器件上的模擬系統包含：

四個連續時間/開關電容構建模塊，可用于制作可編程增益放大器（PGA），跨阻放大器（TIA），混頻器等。

四個比較器，具有用戶可配置的速度，精度和滯后設置。

四個專用運算放大器，可用作驅動外部負載的模擬緩沖器，模擬濾波器，峰值檢波器，慢速比較器，依此類推。

四個DAC，可配置為電流或電壓輸出，用戶可配置的輸出范圍，方向，功率和速度。

Delta-Sigma ADC，可選分辨率從8到20位。它們具有用戶可配置的輸入范圍，參考值，采樣率和工作模式。

基于PSoC 3的BLDC電機控制

基于PSoC 3的BLDC電機控制框圖如圖圖4顯示了PSoC Creator?原理圖。

圖3：PSoC 3 BLDC電機控制器的框圖。

輸入到PSoC 3的控制信號為：

速度命令：模擬輸入引腳，用于測量電位器上的電壓，以設置所需的旋轉速度（一個模擬輸入引腳）。

《 li》電機電流檢測：用于檢測和切斷電源設備驅動器的模擬輸入引腳，用于在檢測到過電流情況時保護電機（參見下一節）（一個模擬輸入引腳）。

霍爾傳感器：三位數字輸入引腳連接到電機霍爾傳感器的輸出。這些傳感器輸入提供電機的位置，用于通過改變PWM輸出信號到電源驅動器（三個數字輸入引腳）來控制換向。

方向控制：數字輸入連接到開關控制電機在順時針和逆時針之間旋轉（一個數字輸入引腳）。

啟動/停止控制：數字輸入連接到一個開關，用于啟動和停止電機的旋轉（一個數字輸入引腳）。/li》

PSoC 3的輸出是電源設備驅動信號。

PWM信號到功率器件驅動器的高端（三個數字輸出引腳）。

PWM信號到功率器件驅動器的低端（三個數字輸出引腳）。/li》

圖4：用于BLDC感應電機控制的PSoC創建器原理圖。

三個霍爾效應傳感器被送入查找表（LUT），該表使用UDB的PLD功能創建，并使用傳感器的數據來確定電機位置。然后，LUT編程邏輯將在適當的時間將適當的PWM信號傳遞給GPIO。 GPIO引腳連接到外部電源驅動器模塊，該模塊將通過選通高壓電源直接驅動BLDC電機。 LUT還將控制電機的方向，并根據LUT從Com_Control_Reg讀取的內容控制電機的啟動和停止。如圖1所示，該數字邏輯將協同工作以產生用于轉動電動機的換向序列。

通過使用DelSig ADC從模擬輸入引腳讀取電位計來完成速度控制。每次isr_termcount觸發時，固件將檢查ADC并根據測量的電壓查看是否需要更改電機速度。使用TACH_timer測量電機的當前速度，TACH_timer是一個16位定時器。一旦發生傳感器1的下降沿，我們就知道電機已經完成了一次完整的旋轉。該上升沿將觸發定時器的捕捉并將當前定時器值移至寄存器，然后我們可以讀取該寄存器并確定當前的電機速度。然后將計算出的電動機速度輸入控制回路，以比較測量的和預期的電動機速度?；谠撚嬎悖梢哉{整PWM的占空比以更精確地匹配期望的電動機速度。

此設計還實現了基于過電流保護的硬件，下一節將對此進行更詳細的說明。過流檢測系統的比較器輸出直接與PWM中斷信號相連。當過電流觸發時，PWM輸出被終止，這將停止所有控制信號到外部驅動器模塊。無論當前的CPU進程或狀態如何，都會發生這種情況。

過流保護

這是在PSoC 3的硬件中實現的?？驁D如圖5所示。

圖5：三相電機高壓電源模塊板和PSoC 3的過流保護框圖。

電源電流通過功率逆變器模塊的接地路徑中的分流電阻測量（圖5中的R1）。該電壓在電路板上進行電平轉換，并連接到PSoC 3上的模擬輸入引腳（標記為CURRENT）。

此輸入電壓饋入PGA，采用模擬連續時間模塊實現。 PGA將輸入電壓和參考電壓之間的差值（模擬電源的一半的緩沖電壓VDDA）相乘，并將輸出連接到時鐘控制比較器。將電壓電平與電流限制進行比較。電流限制值在寄存器中設置，并通過8位電壓DAC轉換為模擬電壓。比較器的輸出連接到PWM模塊，并在超過電流限制閾值時終止PWM輸出。這為BLDC電機提供了逐周期電流限制。 PSoC Creator中過流保護的實現如圖6所示。

圖6：過流保護的PSoC創建器原理圖實現。

BLDC過流保護中使用的PSoC 3資源是：

實現PGA的連續時間（SC/CT）模塊。

模擬比較器 - 這是一個專用的模擬資源，不使用SC/CT模塊。

UDB中實現的8位PWM（用于控制電源設備驅動的相同PWM） - 輸出當檢測到過電流情況時，比較器觸發PWM輸入。

模擬緩沖器，使用一個專用模擬運算放大器。 （可以用外部電阻分壓器和模擬輸入引腳代替，以減少資源使用。）

VDAC8 - 內置8位電壓DAC，用于設置比較器的電流限制閾值。 （可以用外部電阻分壓器和模擬輸入引腳代替，以減少資源使用。）

要為所需的電流限制配置過流保護，必須為電阻和電流限制選擇值閾。過電流檢測分流電阻器的值是電動機操作的凈空和檢測塊的穩健性之間的折衷。對于給定的電流限制，必須通過電動機電流產生足夠的電壓變化，以準確地檢測比較器的變化。但是，增加電阻會增加逆變器的接地電壓并降低驅動電機的裕量。電流限制閾值和電阻值通過以下等式相關，其中增益是PGA的增益，電流是期望的限制，并且vref是電平移位的參考電壓。

對于本應用中的三相電機高壓電源模塊板和2 A過流保護限值，選擇了分流電阻R1為0.02Ω，PGA配置增益為8。這樣可以提供0.02Ω* 8 * 2 A = 320 mV + VREF = 320 mV + 1.65 V = 1.97 V的電流閾值電壓。為了產生該電壓，電流限制閾值DAC（VDAC8）輸出設置為82在固件中。

PSoC 3硬件中實現的過流保護機制是片上低成本解決方案。

PSoC 3 PI閉環速度控制

PI控制算法在連續控制系統中非常有用。有兩種基本的PI控制算法：位置模式和增量模式PI控制算法。以下等式是PI算法的位置模式的離散表達式。在閉環速度PI控制系統ek是速度誤差。

位置模式PI算法的缺點是：

在閉環和開環之間切換時，系統會產生一個脈沖，導致電機不穩定。位置模式PI控制的輸出與過去的所有狀態相關。 MCU中速度計算的精度和內存有限，在全位置計算中會產生不可避免的精度誤差。

使用增量模式PI算法可以解決這些缺點。該公式如下式所示。

輸出控制增量，將其添加到當前控制輸入。這可以驅動PWM來調節電機的速度。通過增量速度控制，MCU實現也變得更容易。

圖7：PSoC 3 PI閉環速度控制。

固件架構

有一個主循環和一個中斷服務程序，即定時器ISR。定時器ISR每1 ms產生一次中斷并觸發速度控制功能。固件操作的流程圖如圖8所示。

圖8：固件操作。

定時器每1 ms產生一次中斷，調用速度控制功能。當調用速度控制功能時，它會檢查轉速計定時器，以查看是否檢測到霍爾傳感器1的下降沿。將傳感器變化的時間標記與前一次進行比較，并計算電動機的當前旋轉速度。為了在噪聲濾波的速度控制中增加阻尼，速度變量（速度）僅向測量速度調節一步。

ADC采樣速度設定電壓（在模擬引腳SPEEDSET上）。如果設置已更改，則會將速度命令向一個值逐步指向新目標以進行噪聲過濾。通過速度控制環路（50 ms）每50次迭代，測量速度和速度命令之間的差異用于計算使用公式4對PWM占空比的步進調整?；诓襟E的PWM調整，測量速度，和速度設置可以抑制瞬時變化，并根據設置或旋轉的變化產生平滑的速度轉換。