《電子技術(shù)應(yīng)用》
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直流無刷電機同步整流控制系統(tǒng)的實現(xiàn)
摘要: 本文闡述了利用英飛凌XC866/846中包含的CCU6E模塊實現(xiàn)硬件霍爾換相和同步整流的方案,并進行了驗證,。與傳統(tǒng)的利用軟件掃描霍爾輸入的方案相比,,CCU6E可以自動進行霍爾信號濾波、采樣,、比較及換相等操作,CPU占用率低,占有軟件資源少,,換相誤差小,電機控制效率高,,對于高速電機等對換相誤差要求高的應(yīng)用,,具有很大優(yōu)勢。
Abstract:
Key words :

電動自行車作為一種環(huán)保的交通工具已得到了廣泛使用,。直流無刷電機及控制器是電動自行車中的關(guān)鍵部件,,其性能決定了整個系統(tǒng)的電能轉(zhuǎn)換效率??刂破鞲鶕?jù)霍爾傳感器輸出信號,,驅(qū)動3相全橋電路,,實現(xiàn)對直流無刷電機的控制,因此霍爾信號的準(zhǔn)確性及換相的實時性會直接影響電機的性能,。在現(xiàn)有電動自行車控制器方案中,,霍爾傳感器信號的采集均采用軟件掃描形式進行,換相操作也通過軟件處理,,換相誤差大,,實時性差,尤其對中高速電機更為明顯,。而英飛凌公司的XC866/846可以支持硬件霍爾信號采集,、換相操作,且無需額外電路即可實現(xiàn)同步整流控制,,單片機利用率高,,電機控制性能好。

直流無刷電機控制

傳統(tǒng)的直流無刷電機采用梯形波驅(qū)動方式,,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1a所示,,MCU根據(jù)三個霍爾傳感器信號調(diào)制PWM輸出,PWM驅(qū)動波形如圖1b所示,。由于在這種控制方式下,,電機端電壓波形為梯形波,因此也稱為梯形波控制,。從圖1中可以看出,,PWM輸出存在6種狀態(tài),對于每種狀態(tài),,逆變橋的6個功率管中僅有2個工作,,例如,當(dāng)狀態(tài)等于5時,,CC60和COUT62對應(yīng)通道開通,。


圖1:直流無刷電機控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及PWM驅(qū)動信號波形。

在PWM開通和關(guān)斷期間,,逆變橋內(nèi)的電流如圖2所示(以狀態(tài)5為例),。當(dāng)PWM開通時,電流經(jīng)過M1,,經(jīng)過電機及M6返回電源,。當(dāng)PWM關(guān)閉時,續(xù)流電流經(jīng)由D2(M2中的寄生二極管),、電機相線和M6返回電源,。由于二極管D2的導(dǎo)通壓降為0.6~1V左右,因此續(xù)流電流在這個二極管上會產(chǎn)生較大的損耗,,當(dāng)電機負(fù)載大,、續(xù)流電流大的時候,,損耗問題更加嚴(yán)重,將影響逆變器效率,。



圖2:簡單梯形波控制中的電流示意圖,。

為減少續(xù)流電流在寄生二極管上產(chǎn)生的損耗,在一些應(yīng)用中使用MOSFET作為逆變元件,。由于MOFSET具有導(dǎo)通阻抗低,、電流可以雙向流動的特點,在M1關(guān)斷,,進入續(xù)流階段時,,開通M2,使續(xù)流電流流經(jīng)M2,,由于MOSFET的導(dǎo)通阻抗極低,,損耗很小,例如當(dāng)續(xù)流電流為10A,,MOSFET導(dǎo)通電阻10mΩ,,二極管D2壓降0.7v時,,若續(xù)流電流流經(jīng)D2時產(chǎn)生損耗為7W,,而流經(jīng)MOSFET時產(chǎn)生損耗僅為1W,因此使用這種控制方式可以減少損耗,,提高逆變器的效率,,在續(xù)流電流大的情況下效果更加明顯。這種控制方式亦稱為同步整流,,電流示意圖如圖3a,。由于MOSFET的上、下管需要交替開通,,為避免直通的危險,,需要添加死區(qū)時間。采用同步整流控制時,,6路PWM的驅(qū)動波形如圖3b所示,。



圖3:同步整流控制中的PWM驅(qū)動及電流示意圖。

CCU6E霍爾傳感器模式

捕獲/比較單元6(CCU6E)是英飛凌的8/16位單片機中包含的專用電機驅(qū)動單元,,內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示,。CCU6E包含兩個專用16位定時器(T12,T13),,可以產(chǎn)生各種PWM調(diào)制信號,,支持交流電機、直流無刷電機,、開關(guān)磁阻電機等多種電機控制,,結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示,。CCU6E還提供支持塊交換和多相電機控制的多通道模式,并集成專用霍爾傳感器模式,,可在使用極少CPU資源的前提下實現(xiàn)直流無刷電機的控制,。



圖4:CCU6E結(jié)構(gòu)框圖。

霍爾傳感器模式如圖6所示,。在霍爾傳感器模式中,,CCU6E通過專用輸入接口*OS0、1,、2自動采樣霍爾信號,,為濾除霍爾信號中的干擾,CCU6E利用死區(qū)時間計數(shù)器DTC0實現(xiàn)濾波功能,,任何霍爾信號的跳變將自動重載DTC0并開始向下計數(shù),,當(dāng)DTC0計數(shù)到1時,進行霍爾信號的采集操作,。從而在霍爾信號變化到采樣點之間產(chǎn)生了一個延時,,減少干擾對換相的影響。



圖5:寄存器MCMOUTL定義,。

當(dāng)濾波延時完成后,,CCU6E會自動進行霍爾信號的采樣和比較操作,如果霍爾輸入值等于期望值(MCMOUTH中EXPH),,則表明發(fā)生正確的霍爾換相事件(CHE),,可觸發(fā)正確霍爾換相中斷。如果輸入霍爾信號既不等于期望值,,也不等于當(dāng)前霍爾值,,則表明霍爾信號發(fā)生錯誤(如霍爾信號線斷開),同時可觸發(fā)錯誤霍爾事件中斷,,通知CPU進行相應(yīng)處理,。


圖6:CCU6E 霍爾傳感器模式示意圖。

正確霍爾換相事件(CHE)可以觸發(fā)換相操作,,自動更新多通道模式輸出控制寄存器(MCMOUTL),。MCMOUTL用于調(diào)制6路PWM,其寄存器定義如圖5所示,,MCMPx(x = 0~5)用于調(diào)制6路PWM(CC60~62,,COUT60~62),當(dāng)MCMPx = 1時,,對應(yīng)的PWM通道輸出PWM,,當(dāng)MCMPx = 0時,對應(yīng)的PWM輸出無效電平,,因此對MCMOUL的更新即可以實現(xiàn)對6路PWM的調(diào)制操作,。

為避免軟件更新MCMOUTL帶來的換相延遲,,CCU6E添加了映射機制,使用MCMOUTSL寄存器(映射寄存器),。當(dāng)正確換相事件發(fā)生時,,MCMOUTSL中的內(nèi)容會自動更新到MCMOUTL中,從而自動改變6路PWM的輸出狀態(tài),。用戶程序僅需在下次換相前更新映射寄存器MCMOUTSL即可,。

定時器T13用于產(chǎn)生PWM信號,PWM與MCMPx(x = 0~5)進行耦合,,輸出到PWM端口,,產(chǎn)生所需的PWM。

在霍爾傳感器模式中,,CCU6E可以自動進行霍爾信號的濾波,、采樣、比較,、換相操作,,與傳統(tǒng)的軟件掃描相比,換相準(zhǔn)確,,換相誤差小,,尤其對于高速直流無刷電機等對換相誤差要求高的應(yīng)用領(lǐng)域,其優(yōu)勢更加明顯,。

霍爾傳感器模式在同步整流中的應(yīng)用

在同步整流控制中,,需要互補輸出的PWM,但T13無法滿足要求,,因此需要使用T12生成互補PWM,DTC0~2用于死區(qū)時間生成,。由于霍爾傳感器模式中使用DTC0進行霍爾濾波操作,,因此在同步整流中無法使用。此時利用CCU6E中T13可與其它外部事件進行同步的特性替代DTC0,,完成硬件霍爾濾波,。系統(tǒng)框圖如7所示,任何霍爾信號的跳變可自動觸發(fā)T13定時操作(T13TEC = 0x07),,通過設(shè)定T13周期值即可實現(xiàn)濾波時間的設(shè)定,,當(dāng)T13計數(shù)到周期設(shè)定值時,自動觸發(fā)霍爾信號的采樣及比較操作(HSYNC = 0x02),。PWM由T12與3個通道設(shè)定值比較產(chǎn)生,,同時添加死區(qū)時間,當(dāng)正確霍爾事件發(fā)生時,,PWM信號與MCMPx耦合,,輸出到對應(yīng)的PWM端口,。



圖7:適用于同步整流的“霍爾傳感器模式”示意圖。

實驗結(jié)果

本文針對上述控制方法,,在英飛凌低壓驅(qū)動套件上進行實現(xiàn),,驅(qū)動24V直流無刷電機BL3056,PWM頻率15K,,霍爾信號通過*OS0 - 2輸入,,霍爾輸入濾波時間10us,實現(xiàn)同步整流控制,。電機端線對地電壓如圖8所示,。每相逆變橋的上、下管交替導(dǎo)通,,死區(qū)時間為2us,。



圖8:同步整流控制中電機端線及逆變橋驅(qū)動電壓。

圖9為同步整流控制下,,霍爾信號輸入及換相之間的波形圖,,其中紫、黃,、綠色波形為霍爾輸入信號,,D0~D5為六路PWM輸出信號,由圖可以看出霍爾信號跳變至輸出PWM換相之間的間隔為10us,,正好為T13的濾波時間,。



圖9:利用霍爾傳感器模式時的換相波形。

本文小結(jié)

本文闡述了利用英飛凌XC866/846中包含的CCU6E模塊實現(xiàn)硬件霍爾換相和同步整流的方案,,并進行了驗證,。與傳統(tǒng)的利用軟件掃描霍爾輸入的方案相比,CCU6E可以自動進行霍爾信號濾波,、采樣,、比較及換相等操作,CPU占用率低,,占有軟件資源少,,換相誤差小,電機控制效率高,,對于高速電機等對換相誤差要求高的應(yīng)用,,具有很大優(yōu)勢。

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