S12ZVM-BLDC控制方案(中文版)

FreescaleSemiconductor应用笔记DocumentNumber:AN4704Rev.1,2013/08目录©FreescaleSemiconductor,Inc.,2013.Allrightsreserved.1简介本应用笔记介绍采用无传感器算法的三相无刷直流电机(BLDC)控制驱动的设计。该设计针对汽车应用。这种经济高效的解决方案基于飞思卡尔半导体专用于汽车电机控制的MC9S12ZVML128芯片。该设计展现出MC9S12ZVML128微控制器对于电机控制的适用性和优势。这是一个使用飞思卡尔16位S12MagniV混合信号MCU设计BLDC控制的示例。2系统概念该系统设计用于驱动三相BLDC电机。应用符合以下系统概念：•以MC9S12ZVML128微控制器为目标。1简介.........................................12系统概念.....................................13BLDC无传感器控制.............................23.1无刷直流电机概述..........................23.2互补/独立单极性PWM调制技术..............53.3基于BEMF过零点检测的位置估计.............63.4直流母线电流测量.........................103.5基于BEMF过零点检测的BLDC无传感器控制的几个阶段..............114MC9S12ZVML128上的软件实现..................124.1MC9S12ZVM配置.........................124.2软件体系结构.............................175FreeMASTER用户界面.........................266结语........................................267参考........................................26采用S12MagniVMC9S12ZVM的三相无传感器BLDC电机控制套件作者：BranislavZigmund、PetrStaszko和AnitaMaliverney采用S12MagniVMC9S12ZVM的三相无传感器BLDC电机控制套件,Rev.1BLDC无传感器控制FreescaleSemiconductor2•采用S12MagniVMC9S12ZVM的三相无传感器BLDC电机控制套件运行(有关详细信息，请参见编号为MTRCKTSBNZVM128的文档)。有关MC9S12ZVML128评估板(EVB)的详细信息，请参见MC9S12ZVM128MCBUG（MC9S12ZVML128评估板(EVB)用户手册）。•该BLDC无传感器控制技术整合了：—三相BLDC电机的6步换向控制—通过BEMF过零点检测技术实现位置感应—速度闭环控制—电机电流限制—启动时对齐•FreeMASTER软件控制接口(电机启动/停止、速度设置)•DC母线过压、欠压、过流、过载保护3BLDC无传感器控制3.1无刷直流电机概述BLDC电机是一种旋转电机，采用与感应电机相似的传统三相定子。定子内的三相绕组，根据连接方式的不同，可以分为Y型连接或Δ型连接。转子采用表面贴装永磁体。电机的每一相下可以有多个极对。每相极对数就定义了电转速和机械转速的比率。BLDC电机相当于把有刷直流电机定转子进行交换，使得永磁体转动而绕组保持静止。在有刷直流电机中，换向器和电刷会改变电流的方向，从而使得定子磁场和转子磁场正交。但在无刷直流电机中，是靠功率晶体管（必须与转子位置同步切换）来实现极性的变换。此过程也称为电子换向。在转子旋转时，转子永磁体的转动会产生梯形波反电动势。忽略高阶谐波项，电机每相的BEMF(ea,eb,ec)如图1所示。每相BEMF都具有120°电角度的恒定幅值，随后在每个半周期内都有60°的电角度转换。以下公式给出了任何实例上产生的转矩：1公式1其中：•ωel为电角速度在每半个周期中，每一相的理想电流波形(ia,ib,ic)都应该是120°电子导通角的准方波型。每一相的电流导通必须与BEMF波形的平顶部分相符；这能保证形成的转矩始终恒定或无波动。为了将每一相的电流导通部分与BEMF的平顶部分对齐，必须要知道转子的位置。1.Rashid，MuhammadH.ed.《电子器件手册》，第2版，伦敦：AcademicPress，2007。ܶ=݁௔݅௔+݁௕݅௕+݁௖݅௖߱௘௟BLDC无传感器控制采用S12MagniVMC9S12ZVM的三相无传感器BLDC电机控制套件,Rev.1飞思卡尔半导体3图1.BLDC电机的三相BEMF电压和相电流可以通过位置传感器或无传感器算法获取转子位置。可以使用的位置传感器多种多样，但由于转子为永磁体，因此使用简单、可靠、价格低廉的霍尔效应传感器确定物理磁极边缘非常容易。1以下技术常用在BLDC电机无传感器控制的应用中预测转子位置：•BEMF过零检测法•磁通检测法•各种系统状态观测器法•信号注入法从控制角度来看，必须用到两种控制过程：•换向控制，使用准方波电流波形，根据转子位置给相位通电。•速度/转矩控制，通过控制准方波相电流波形的幅值，实现所需速度/转矩性能。以下几节讨论了BEMF过零点检测方法的概念，还介绍了其正确评估方法和条件。3.1.1电子换向控制换向过程提供了利用准方波电流波形根据转子位置给对应绕组通电的机制。由于每个电气周期仅需要6路分立输出(如图1所示)，因此6个半导体电源开关足以为每一相创建准方波电流波形。6个半导体开关，使用IGBT或MOSFET，构成三相全桥电路。系统由直流母线电压UDCB供电。在图2中，半导体开关和二极管视为理想器件。1.Ibid.采用S12MagniVMC9S12ZVM的三相无传感器BLDC电机控制套件,Rev.1BLDC无传感器控制FreescaleSemiconductor4图2.功率部分和电机拓扑6步换向是一种驱动三相Y型连接BLDC电机的常用方法。在6步换向控制中，BLDC采用两相工作模式。任意时刻都是两相导通，另一相断开，无传感器算法就是通过检测断开相的反电动势过零来换向的。究竟选择哪两相绕组导通是由位置传感器或者位置观测器来决定的。表1展示了每个电周期里六步所对应的开关状态和电流方向与转子位置的关系。表1.六步切换顺序转子位置扇区编号开关闭合相电流ABC330°–30°1SATSBB+–关30°–90°2SATSCB+关–90°–150°3SBTSCB关+–150°–210°4SBTSAB–+关210°–270°5SCTSAB–关+270°–330°6SCTSBB关–+BLDC无传感器控制采用S12MagniVMC9S12ZVM的三相无传感器BLDC电机控制套件,Rev.1飞思卡尔半导体53.1.2速度/转矩控制BLDC根据其转子位置进行换向可以确保相电流方向正确性，而电机转矩/速度仅取决于准方波电流波形幅值。连续对电机每一相准方波电流幅值的控制是由PWM控制来确保的。PWM控制常用于采用微控制器的应用。PWM调制器的占空比由速度PI控制器获取。速度PI控制器将放大所需速度与实际速度之间的误差，其输出经过恰当调整后送到PWM调制器。实际机械速度可根据轴位置ϕmech的时间导数计算得出。公式2由于在两次换向之间，轴的移动距离恰好为一个电周期(2π弧度)的1/6，因此以上公式可改写为以下形式：公式3其中：•p是极对数•TCM是两次连续换向间的间隔时间•TCMn是扇区n=1,2,3,4,5,6中换向间的间隔时间•ϕel是电角度位置3.2互补/独立单极性PWM调制技术有多种绕组通电和开关的方法。单极性PWM控制技术结合了换向控制和转矩控制。换向控制决定了开关状态，PWM占空比决定了转矩。BLDC控制的应用中采用单极性PWM控制技术可以降低MOSFET的开关损耗以及提升系统EMC可靠性。单极性PWM控制意味着电机相线上看只能看到正电压。为实现单极性PWM模式，其中一相采用互补PWM模式，第二相接地，第三相不通电，如图3所示。电角度每变换60°就可以观察到这种PWM模式，仅有相序不同。换向控制根据轴位置确定相序。߱௠௘௖௛=݀߮௠௘௖௛݀ݐ=1݌݀߮௘௟݀ݐൎ1݌ȟ߮௘௟ȟܶ߱௠௘௖௛ൎ1݌ȟ߮௘௟ȟܶ=1݌360°6ܶ஼ெ=1݌360°ܶ(ଷଷ଴°՜ଷ଴°)+ܶ(ଷ଴°՜ଽ଴°)+ܶ(ଽ଴°՜ଵହ଴°)+ܶ(ଵହ଴°՜ଶଵ଴°)+ܶ(ଶଵ଴°՜ଶ଻଴°)+ܶ(ଶ଻଴°՜ଷଷ଴°)=360°݌σܶ஼ெ௡଺௡ୀଵ采用S12MagniVMC9S12ZVM的三相无传感器BLDC电机控制套件,Rev.1BLDC无传感器控制FreescaleSemiconductor6图3.互补/独立单极性PWM开关例如，在第一个周期中，A相由互补PWM信号供电，而B相的底部晶体管接地，C相未通电。在90°电角度处发生换向事件后，A相仍然由互补PWM信号供电，B相断电，C相转为接地。本应用说明中描述的控制基于互补/独立单极性PWM调制技术。以下部分介绍了为实现换向控制，通过BEMF过零点检测估计无传感器位置的方法。3.3基于BEMF过零点检测的位置估计图4显示了理想BEMF波形，描述了BEMF过零点出现位置之后的30°电角度处发生的换向事件。BEMF过零点出现在最后一次换向事件所在位置之后的30°电角度处。假设电机正在以恒定速度转动；在这种情况下，电机从最后一次发生换向事件的位置移动到BEMF过零点所在位置与从BEMF过零点所在位置移动到后续换向事件所在位置的时间是完全相同的。在时域内，BEMF过零点恰好位于两个换向事件的中间。因此，借助定时器，BEMF过零点事件可以轻松预测正确的换向点以及转子速度。换向事件BLDC无传感器控制采用S12MagniVMC9S12ZVM的三相无传感器BLDC电机控制套件,Rev.1飞思卡尔半导体7图4.过零点检测和换向图3.3.1BEMF过零点原则为解释和模拟BEMF传感技术的概念，本文档提供了基于基本电路拓扑的简化数学模型(请参见图4)。该数学模型的目标是确定可测量电机波形与BEMF过零点之间的依赖关系。BEMF过零点又有助于确定换向事件。该数学模型基于这样一个事实：电机的两相通电，第三个相断开。整个模型的中性点电压级别可以参照母线电压的一半，这样可以简化数学表达式。该数学模型假设电机三相是对称的(请参见图4)。公式4对于对称三相电机，所有BEMF电压的总和为零，因此：公式5由于无电流，因此未通电相的电压公式如下：公式6
ݑே=ܷ஽஼஻െܴ݅௕െܮ݀݅௕݀ݐെ݁௕ݑே=ܴ݅௔+ܮ݀݅௔݀ݐെ݁௔ൢ௜ೌୀ௜್ሳልልልሰݑே=ܷ஽஼஻2െ݁௕+݁௔2ec+eb+ec=0→ec=–(eb+ea)uN=uC–ec采用S12MagniVMC9S12ZVM的三相无传感器BLDC电机控制套件,Rev.1BLDC无传感器控制FreescaleSemiconductor8将公式5和公式6代入公式4即可得出未通电相的相电压，具体如下：公式7在出现BEMF过零点时，BEMF电压(本例中为ec)为零，正如其名称所表示的那样。因此，通过测量未通电相的电压(ec)，并将其与直流母线电压()的一半进行对比，即可准确确定BEMF过零点。3.3.2BEMF过零点事件检测、相电流测量和互补/独立单极性PWM开关图5.BEMF过零点事件、换向及其与互补/独立单极性PWM开关的关系可通过测量未通电相中旋转永磁体所产生的BEMF电压来感应转子的准确位置。在图5中，绿色窗口标明了对应相位未通电的时间段。此时间窗口中测量的电压为BEMF电压。在BEMF过零点事件处，永磁体恰好位于线圈前方，转子磁场与定子磁场呈90°角。此事件在换向周期中间发生，标为绿色BEMF窗口中的黑色圆圈。此时，相电压等于直流母线电压的一半，如3.3