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(jī)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(gè)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(shí)現(xiàn)對直流無刷電機(jī)的控制,，因此霍爾信號的準(zhǔn)確性及換相的實(shí)時(shí)性會直接影響電機(jī)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(jìn)行,，換相操作也通過軟件處理，換相誤差大,，實(shí)時(shí)性差,，尤其對中高速電機(jī)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(shí)現(xiàn)同步整流控制，單片機(jī)利用率高,，電機(jī)控制性能好,。
直流無刷電機(jī)控制
傳統(tǒng)的直流無刷電機(jī)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(gè)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(jī)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(gè)功率管中僅有2個(gè)工作,，例如,，當(dāng)狀態(tài)等于5時(shí)，CC60和COUT62對應(yīng)通道開通,。
圖1：直流無刷電機(jī)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(shí),，電流經(jīng)過M1，經(jīng)過電機(jī)及M6返回電源,。當(dāng)PWM關(guān)閉時(shí),，續(xù)流電流經(jīng)由D2(M2中的寄生二極管)、電機(jī)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(gè)二極管上會產(chǎn)生較大的損耗，當(dāng)電機(jī)負(fù)載大,、續(xù)流電流大的時(shí)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(diǎn)，在M1關(guān)斷,，進(jìn)入續(xù)流階段時(shí),，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(shí),，若續(xù)流電流流經(jīng)D2時(shí)產(chǎn)生損耗為7W，而流經(jīng)MOSFET時(shí)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(xiǎn)，需要添加死區(qū)時(shí)間,。采用同步整流控制時(shí),，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(jī)中包含的專用電機(jī)驅(qū)動單元,，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。CCU6E包含兩個(gè)專用16位定時(shí)器(T12,，T13),，可以產(chǎn)生各種PWM調(diào)制信號，支持交流電機(jī),、直流無刷電機(jī),、開關(guān)磁阻電機(jī)等多種電機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)直流無刷電機(jī)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(shí)間計(jì)數(shù)器DTC0實(shí)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(jì)數(shù)，當(dāng)DTC0計(jì)數(shù)到1時(shí),，進(jìn)行霍爾信號的采集操作,。從而在霍爾信號變化到采樣點(diǎn)之間產(chǎn)生了一個(gè)延時(shí)，減少干擾對換相的影響,。
圖5：寄存器MCMOUTL定義,。
當(dāng)濾波延時(shí)完成后，CCU6E會自動進(jìn)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(cuò)誤(如霍爾信號線斷開),，同時(shí)可觸發(fā)錯(cuò)誤霍爾事件中斷，通知CPU進(jìn)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(shí)，對應(yīng)的PWM通道輸出PWM,，當(dāng)MCMPx = 0時(shí),，對應(yīng)的PWM輸出無效電平，因此對MCMOUL的更新即可以實(shí)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(jī)制，使用MCMOUTSL寄存器(映射寄存器),。當(dāng)正確換相事件發(fā)生時(shí),，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(shí)器T13用于產(chǎn)生PWM信號，PWM與MCMPx(x = 0～5)進(jìn)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(jìn)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(jī)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(bǔ)輸出的PWM,，但T13無法滿足要求，因此需要使用T12生成互補(bǔ)PWM,，DTC0～2用于死區(qū)時(shí)間生成,。由于霍爾傳感器模式中使用DTC0進(jìn)行霍爾濾波操作，因此在同步整流中無法使用,。此時(shí)利用CCU6E中T13可與其它外部事件進(jìn)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(shí)操作(T13TEC = 0x07),，通過設(shè)定T13周期值即可實(shí)現(xiàn)濾波時(shí)間的設(shè)定，當(dāng)T13計(jì)數(shù)到周期設(shè)定值時(shí),，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(gè)通道設(shè)定值比較產(chǎn)生，同時(shí)添加死區(qū)時(shí)間,，當(dāng)正確霍爾事件發(fā)生時(shí),，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(shí)驗(yàn)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(jìn)行實(shí)現(xiàn),，驅(qū)動24V直流無刷電機(jī)BL3056,，PWM頻率15K，霍爾信號通過*OS0 - 2輸入,，霍爾輸入濾波時(shí)間10us,，實(shí)現(xiàn)同步整流控制。電機(jī)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(shí)間為2us。
圖8：同步整流控制中電機(jī)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(shí)間。
圖9：利用霍爾傳感器模式時(shí)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(shí)現(xiàn)硬件霍爾換相和同步整流的方案,，并進(jìn)行了驗(yàn)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(jìn)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(jī)控制效率高，對于高速電機(jī)等對換相誤差要求高的應(yīng)用,，具有很大優(yōu)勢,。
