Cypress在2013年推出了可編程片上係統PSoC（Programmable System on Chip）家族的最新產品PSoC4，采用ARM Cortex-M0作為處理核心。PSoC4完全繼承了PSoC芯片家族本身的高度可編程的靈活性
，並融合了Cortex-M0高性價比的處理器核架構，使得PSoC4係列產品成為一個具有高度可擴展性的處理器平台，在性價比、功耗等方麵優勢顯著。更值得一提的是
，PSoC4針對電機控製提供了完整和極具特色的片內資源
，因此工程師在PSoC4上開發電機控製係統時將更加直觀與快捷。

 

PSoC4產品係列目前推出的是CY8C4100和CY8C4200兩個入門級產品係列。本文即以CY8C4200為例，介紹如何在PSoC4上開發有傳感器的三相無刷直流電機控製係統。

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、PSoC4架構及電機控製的片內資源簡介

 

PSoC 4是基於ARM Cortex-M0 CPU（處理器）的可編程嵌入式係統控製器家族

，為嵌入式應用提供了強大的可編程平台。它集合了可編程模擬資源、可編程內部互聯、用戶可編程數字邏輯、通用的固定功能外設計以及高性能的ARM Cortex-M0 CPU子係統。

 

（1）高達48MHz，43 DMIPS 的32位Cortex-M0 CPU
，支持單周期乘法

（2）多達32 KB Flash及4KB SRAM內存

（3）四個獨立的可支持中央對齊的TCPWM
，支持互補的可編程死區及同步ADC操作

（4）兩個支持比較器模式及SAR ADC輸入緩衝功能的運算放大器

（5）兩個電流數模轉換器（IDAC），可以輸出給內部模塊，或通過GPIO輸出到外部成為可定製的用戶電流源。

（6）四個可編程數字邏輯模塊(UDB)

（7）一個支持零開銷通道切換功能的12位1 Msps ADC

（8）CapSense驅動

 

圖1：PSoC4的係統框圖
 

PSoC4在開發環境方麵與PSoC家族的上一代產品保持一致，仍然為PSoC Creator，延續了將片內資源抽象為模塊化Component的開發方法
，控製係統架構清晰具體，簡單快捷。用戶可以更多關注產品的功能開發，而較少的注意芯片的硬件結構細節。

 

 

① 無刷直流電機控製原理

 

無刷直流(Brushless Direct Current, BLDC)電機正在汽車、家電、工業自動化、航空航天及醫療設備領域獲得廣泛的應用，並將繼續逐步取代有刷電機。由於采用電子換相
，BLDC電機具有更長的壽命和更小的運轉噪音。此外，隨著軟磁材料技術的進一步提高和價格的不斷下降，BLDC電機將更多的采用高性能的釹鐵硼稀土材料製作永磁轉子，其較高的磁能積和穩定的特性使BLDC電機擁有更好的機械特性和動態響應
，更高的效率和轉速範圍。因此，在環境和性能要求比較苛刻的中高端應用中，BLDC電機將獲得進一步的推廣。

 

從電機結構原理上來說，BLDC電機定子和轉子磁場具有相同的頻率和轉速
，因此是同步電機的一種。定子繞組可繞製成單相、兩相和三相，其中三相BLDC電機因輸出功率大、轉矩脈動小和效率高應用最廣泛。本文的研究對象也將放在三相BLDC電機的控製係統上。

 

三相BLDC電(dian)機(ji)采(cai)用(yong)兩(liang)相(xiang)順(shun)序(xu)通(tong)電(dian)模(mo)式(shi)產(chan)生(sheng)旋(xuan)轉(zhuan)磁(ci)場(chang)
，定(ding)子(zi)各(ge)相(xiang)繞(rao)組(zu)的(de)導(dao)通(tong)與(yu)否(fou)由(you)轉(zhuan)子(zi)位(wei)置(zhi)唯(wei)一(yi)確(que)定(ding)
，以(yi)保(bao)證(zheng)轉(zhuan)子(zi)能(neng)夠(gou)始(shi)終(zhong)輸(shu)出(chu)最(zui)大(da)轉(zhuan)矩(ju)。由(you)於(yu)取(qu)消(xiao)了(le)自(zi)動(dong)換(huan)向(xiang)的(de)機(ji)械(xie)電(dian)刷(shua)，因(yin)此(ci)需(xu)要(yao)實(shi)時(shi)檢(jian)測(ce)轉(zhuan)子(zi)的(de)空(kong)間(jian)位(wei)置(zhi)
，霍(huo)爾(er)效(xiao)應(ying)傳(chuan)感(gan)器(qi)因(yin)其(qi)較(jiao)高(gao)的(de)性(xing)價(jia)比(bi)和(he)安(an)裝(zhuang)方(fang)便(bian)被(bei)廣(guang)泛(fan)采(cai)用(yong)。對(dui)於(yu)兩(liang)相(xiang)導(dao)通(tong)的(de)三(san)相(xiang)BLDC電機來說
，每個電周期分成6個不同的通電區間，因此需要三個霍爾傳感器來進行分區。圖6為(wei)典(dian)型(xing)的(de)霍(huo)爾(er)傳(chuan)感(gan)器(qi)輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)與(yu)相(xiang)應(ying)的(de)導(dao)通(tong)相(xiang)之(zhi)間(jian)的(de)關(guan)係(xi)圖(tu)，霍(huo)爾(er)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)每(mei)一(yi)個(ge)變(bian)化(hua)都(dou)要(yao)求(qiu)導(dao)通(tong)相(xiang)的(de)實(shi)時(shi)改(gai)變(bian)
，電(dian)機(ji)即(ji)按(an)照(zhao)既(ji)定(ding)的(de)邏(luo)輯(ji)連(lian)續(xu)順(shun)序(xu)運(yun)行(xing)。

 

圖6：霍爾傳感器輸出信號與相應的導通相之間的關係圖
 

② 無刷直流電機主要商用控製方案分析

 

目前各大主流半導體廠商均推出了各自的有傳感器BLDC電機控製方案，技術類似
，也比較成熟。概括說來
，將三路霍爾傳感器的輸出接到MCU的輸入引腳上，每一路電平的變化將會觸發中斷，在中斷服務程序中根據圖7的邏輯來查表改變相應的導通相
，達到換向的目的。

 

圖7為市場上的主流商用方案示意圖
，通過簡單的分析我們可以發現MCU通過中斷服務程序來進行換相
，在對電機電流的監控上，電流信號由外部采樣及運放電路送入ADC後由軟件程序來比較判斷是否過流並關斷PWM輸出，保護電機及電路係統。

 

圖7：主流商用方案示意圖
 

總的說來，與永磁同步電機和步進電機相比，BLDC電(dian)機(ji)的(de)控(kong)製(zhi)較(jiao)為(wei)簡(jian)單(dan)。各(ge)半(ban)導(dao)體(ti)廠(chang)商(shang)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)結(jie)構(gou)大(da)體(ti)類(lei)似(si)，技(ji)術(shu)也(ye)日(ri)趨(qu)同(tong)質(zhi)化(hua)。通(tong)過(guo)進(jin)一(yi)步(bu)的(de)分(fen)析(xi)可(ke)以(yi)發(fa)現(xian)
，電(dian)機(ji)的(de)換(huan)相(xiang)和(he)電(dian)流(liu)的(de)監(jian)控(kong)都(dou)在(zai)軟(ruan)件(jian)中(zhong)完(wan)成(cheng)
，但(dan)是(shi)電(dian)流(liu)的(de)放(fang)大(da)與(yu)處(chu)理(li)需(xu)要(yao)外(wai)部(bu)的(de)運(yun)放(fang)電(dian)路(lu)，速(su)度(du)慢(man)，成(cheng)本(ben)較(jiao)高(gao)且(qie)不(bu)可(ke)靠(kao)。此(ci)外(wai)，對(dui)霍(huo)爾(er)傳(chuan)感(gan)器(qi)失(shi)效(xiao)的(de)硬(ying)件(jian)檢(jian)測(ce)缺(que)乏(fa)實(shi)時(shi)有(you)效(xiao)的(de)手(shou)段(duan)，影(ying)響(xiang)電(dian)機(ji)的(de)安(an)全(quan)運(yun)行(xing)。

結語：本文詳述了在Cypress推出的PSoC4平台上開發有傳感器BLDC電機控製係統。設計方案的實例證明，BLOD電機借助PSoC4片(pian)內(nei)集(ji)成(cheng)資(zi)源(yuan)能(neng)夠(gou)達(da)到(dao)換(huan)相(xiang)的(de)目(mu)的(de)，而(er)且(qie)霍(huo)爾(er)失(shi)效(xiao)檢(jian)測(ce)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)內(nei)部(bu)硬(ying)件(jian)完(wan)成(cheng)實(shi)驗(yan)過(guo)程(cheng)，提(ti)高(gao)了(le)電(dian)機(ji)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)軟(ruan)件(jian)設(she)計(ji)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)和(he)實(shi)效(xiao)性(xing)。此(ci)外(wai)
，在(zai)芯(xin)片(pian)內(nei)部(bu)，比(bi)較(jiao)器(qi)的(de)電(dian)流(liu)檢(jian)測(ce)以(yi)及(ji)片(pian)內(nei)集(ji)成(cheng)的(de)運(yun)放(fang)都(dou)可(ke)以(yi)成(cheng)為(wei)現(xian)實(shi)。加(jia)快(kuai)了(le)過(guo)流(liu)檢(jian)測(ce)的(de)反(fan)應(ying)速(su)度(du)，從(cong)而(er)降(jiang)低(di)了(le)成(cheng)本(ben)。因(yin)此(ci)
，使(shi)用(yong)PSoC4設計出的有傳感器BLDC電機控製係統和產品具有更高的實用價值和高效性。

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