作為同步電機類產(chǎn)品的無刷直流（BLDC）電機成為了諸如油泵、水泵、冷卻風扇和步進電機等需要持續(xù)旋轉等汽車應用的理想選擇。BLDC具備了高可靠性應用所需的具有啟動和停止功能的定位機制。
進一步講，BLDC電機所提供的電子控制功能，諸如節(jié)省能量、減少對環(huán)境的影響和設計更加安全的車輛以成為法定車輛不可缺少的條件。BLDC電機對空間緊張的油泵控制和電子助力轉向等變速應用也非常有用。這些類型的應用需要故障診斷和廣泛的溫度和電壓工作范圍，因此電子控制也顯得十分重要。
嵌入式處理器是汽車系統(tǒng)設計者滿足這種日益增長的需求和今天的駕駛者需求的一個重要手段。更多地采用電子控制解決方案可使汽車系統(tǒng)設計者滿足這些需求，同時滿足他們自己開發(fā)低噪聲、低成本、高精度系統(tǒng)和縮短上市時間的要求。
汽車系統(tǒng)設計者可以采用全球眾多的嵌入處理器解決方案。有一種單芯片架構平臺是BLDC電機控制的理想選擇，這就是16位數(shù)字信號控制器（DSC）。這種類型的平臺可與數(shù)字信號處理器（DSP）的計算和吞吐能力共同對單片機進行控制。這樣，DSC就可以在實現(xiàn)許多汽車電子系統(tǒng)所需的復雜的、高速數(shù)學功能方面充分發(fā)揮作用。
Microchip的dsPIC? DSC可提供無縫的移植路徑和引腳對引腳的兼容性，實現(xiàn)硬件和軟件構件的重復使用。這種16位單片機（MCU）與強大的DSP能力的結合可提高汽車電子系統(tǒng)的性能，降低系統(tǒng)成本，使設計者的產(chǎn)品更快推向市場。
DSC的主要特性小結
典型的DSC架構由中央處理器（CPU）以及為它提供適用于某些汽車BLDC應用的外設特性組成。Microchip的用于電機控制應用的16位dsPIC DSC的一些優(yōu)勢特性包括：
· 兩個40位寬累加器
· 單周期，16×16乘加（MAC）運算
· 40級柱狀位移器
· 雙運算訪問
·飽和及舍入模式
· DO和REPEAT回路
dsPIC DSC也可提供靈活的中斷、看門狗定時器和實時仿真功能。這些組合特性為汽車系統(tǒng)開發(fā)商提供了一種應對基于BLDC應用電子控制挑戰(zhàn)的控制器。
增強型CPU功能
16位DSC的一個重要特性是豐富的數(shù)學處理能力。諸如dsPIC30F和dsPIC33F這種真正的DSC都包括2個40位累加器，可存儲16位×16位的乘法運算的兩個獨立的結果。這種DSC可在一個周期內執(zhí)行絕大部分指令。
許多性能取向的信號處理算法都包括運行“積之和”計算。諸如乘加（MAC）的特殊指令可提供乘2個16位數(shù)字，將結果加到累加器，并預先從隨機存取存儲器（RAM）中訪問一對數(shù)據(jù)值的能力，所有這些都在一個單指令周期之內完成。2個累加器中一個用來回寫數(shù)據(jù)，另一個用來同時執(zhí)行計算。
此外，與標準的MCU不同，當解譯數(shù)據(jù)是分數(shù)形式，而不是以整數(shù)形式的數(shù)據(jù)出現(xiàn)時，DSC具有支持分數(shù)算法的能力。
靈活的中斷結構
DSC架構可提供非常高靈活性的中斷架構。通常，DSC支持大量個別可選擇的和可優(yōu)先化的中斷源，這對包括多個傳感器和執(zhí)行器等任何應用都是非常理想的屬性。在這種情況下，中斷等待時間是非常準確的，這對于系統(tǒng)開發(fā)商來說更加容易。
運行中的自我編程（RTSP）
為了校準從傳感器獲得的數(shù)據(jù)和換能器之間的變量，并預先測量偏移量，許多汽車應用需要對常數(shù)進行存儲。許多DSC器件使用程序快閃存儲器和基于快閃數(shù)據(jù)的EEPROM，它可以可靠而有效地存儲和訪問這些常數(shù)。對系統(tǒng)開發(fā)商來說，有許多DSC都可以提供靈活而安全的快閃存儲器。
在線串行編程(（ICSP?）
采用ICSP技術，很容易利用快閃DSC在現(xiàn)場對應用固件進行升級。此外，ICSP可將同一個控制器用于多種不同的汽車子系統(tǒng)和工作環(huán)境。這些功能的增加馬上就可以用最少的成本實現(xiàn)。
高分辨率模數(shù)轉換器（ADC）
選擇一個高速的、高分辨率的片上ADC對測量小而快速的應用變化非常重要。選擇適當?shù)腄SC時應當考慮的最重要因素之一是同時測量不同取樣的能力。它可以測量發(fā)生在同相的電機電壓和電流，以避免控制回路中出現(xiàn)錯誤。
高速模數(shù)轉換速率有很多好處。首先，它可以最大限度地減少取樣等待時間，增加閉環(huán)性能。其次，高速轉換可以利用所有通道的高吞吐能力進行多通道取樣。另外，高轉換速率與DSC核心的DSP能力相結合，可以對含有噪聲的電機反饋信號進行過取樣和濾除。
脈沖寬度調制（PWM）
DSC支持指定的波形和極性的PWM信號的自動生成。某些DSC集成了支持這些基于PWM算法的先進型的大量片上外設，這就簡化了代碼開發(fā)，并可以某種方法增加整個系統(tǒng)的靈活性。
首先，多個PWM發(fā)生器可為BLDC電機的正弦波換向提供補充的輸出和自動死區(qū)時間插入。PWM模塊也可為六步換向的執(zhí)行提供覆蓋控制。在這種情況下有許多種不同的變頻電路，包括同步整流，它可以控制電流流動，以確保最高的變頻效率。
此外，基于PWM的算法可以利用故障引腳實現(xiàn)閉鎖或自動過流保護。而且，ADC可與校正分流電阻電流測量的PWM保持同步。
正交編碼器接口（QEI）
對汽車運行的各個方面有效的電子控制來說，車輛的速度和位置，以及機械部件的速度和位置的精確和迅速的測量是十分重要的。正交編碼器有利于進行這方面的測量，并能在各種電機控制應用中實現(xiàn)閉環(huán)控制。
控制器局域網(wǎng)絡（CAN）
微控制器正在朝著具有更多功能的方向繼續(xù)演進，發(fā)展速度越來越快，它對車輛電子控制模塊之間的有效而可靠的相互通信非常重要的。在未來的5到7年中，人們期待CAN總線將成為汽車網(wǎng)絡節(jié)點的首要標準。
為什么DSC是電機控制應用的理想選擇？
DSC的CPU可支持一整套強大的DSP指令和靈活的尋址模式，因此可實現(xiàn)快速而精確的算法和邏輯計算。許多DSC架構非常適用于以下一些控制動作：
a）周期性的服務中斷。它可獲得車輛速度和駕駛角度的周期性取樣，計算出使防抱死剎車系統(tǒng)適當發(fā)揮作用所需的制動壓力。
b）多個傳感器的數(shù)據(jù)捕捉和控制輸入。它可以同時測量車輛的速度、加速度、車體/車輪的相對運動和駕駛角度，以確定主動式懸掛系統(tǒng)的阻尼水平。
c）將數(shù)據(jù)和控制脈沖傳輸?shù)綀?zhí)行器。這將實現(xiàn)可變的占空比PWM信號，在適當?shù)臅r間開啟和關閉燃料噴嘴。
d）與其他分布式系統(tǒng)中的控制器模塊進行數(shù)據(jù)共享。這種網(wǎng)絡有各種各樣的子系統(tǒng)，可以周期性地將狀態(tài)數(shù)據(jù)提供給診斷模塊或用戶顯示儀表盤。
BLDC電機小結
BLDC電機不直接采用直流（DC）電壓電源運行，也不使用碳刷進行換向。BLDC電機是一種包含帶有永久磁鐵轉子和帶有繞組的定子的可實現(xiàn)電子換向的電機。
換向是在適當?shù)臅r間改變電機的相位電流，以產(chǎn)生旋轉扭力的動作。碳刷電機的換向是通過機械方式執(zhí)行的，BLDC電機則必須利用電子方式執(zhí)行。
BLDC電機是由迭加在定子上的鋼片與位于溝槽中的繞組組成的，定子和繞組沿著內圓周進行軸向切割。簡而言之，當定子與感應電機的繞組相似時，電機繞組可以用一種非分布式的形式進行配置。每個繞組都是由無數(shù)個小線圈構成的，這些小線圈位于溝槽中，并相互連接形成較大的繞組。每個分布在定子外圍的繞組形成一個偶數(shù)電極。定子繞組可以是梯形的，也可以是正弦形的，其類型因不同的反電動勢（EMF）而異。相位電流也有梯形的或正弦形等幾種。
所有轉子都包括某種類型的永久磁鐵，電極可能有2到8對。制造轉子的磁性材料是根據(jù)所需的磁場密度來選擇的。鐵氧體磁鐵是傳統(tǒng)的用于制造永久磁鐵的材料。然而，由于稀土合金磁鐵具有更高的體積與磁密度比，并可以進一步壓縮同樣扭矩的轉子體積，其應用正在日漸普及。合金磁鐵可提高尺寸與重量比率，并可提供比由鐵氧體磁鐵構成的相同尺寸的電機更大的扭矩。對BLDC電機來說，需要有一種檢測轉子磁鐵位置的方法。
BLDC電機既快速，又沒有噪聲，既有效率，又具有更長的運行壽命，所以正在得到普及。另外，BLDC電機小巧的尺寸、可控制性、高效率、低EMI和高可靠性也是其普及的原因。其小巧的尺寸是磁鐵技術進步所帶來的效率提高的直接結果。
另外，BLDC電機所提供的與電機尺寸有關的扭矩比率要比非BLDC電機更高，這使BLDC電機成為非常適用于空間和重量敏感的應用。
BLDC電機可以設計成基于傳感器或無傳感器的系統(tǒng)。無傳感器的BLDC電機系統(tǒng)可降低霍爾效應或光學傳感器，以及支持這些電子器件的成本。如果正在運轉的轉子浸入諸如燃料、油或水中時，無傳感器的運行也能令人滿意。在無傳感器控制中，換向需要利用反電動勢（BEMF）的零值穿越。
DSC如何控制BLDC應用
嵌入式系統(tǒng)設計者面臨的挑戰(zhàn)仍然是在保持靈活性的同時實現(xiàn)成本和性能目標。DSC可提供更低的系統(tǒng)成本，而且對那些需要高穩(wěn)定性和增加可靠性的應用具有卓越的實時控制能力。DSC帶來的其他系統(tǒng)優(yōu)勢包括：
a）由自身內部振蕩器運行，而不依賴于系統(tǒng)時鐘的可靠的看門狗定時器。
b）當發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)時鐘故障時，片上時鐘監(jiān)視器可迫使芯片復位。
c）片上振蕩器不需要使用外部晶振，節(jié)省了緊張的板上空間，并可減少系統(tǒng)成本。
d）無需使用外部復位電路的智能片上電源接通復位（POR）電路，當它與欠壓保護連接時，可對電源跳動情況下的芯片進行復位。這有助于以低成本實現(xiàn)更可靠的系統(tǒng)。
e）先進的模擬外設，包括一個工作在1.1Msps、具有支持同時取樣和控制多達8個輸入能力的高分辨率ADC。這將提高系統(tǒng)的吞吐能力。
f）多達8個通道的電機控制PWM增強型電機控制外設，它采用中心對齊或邊緣對齊模式，外加1個片上QEI。這將改進系統(tǒng)性能，并可減少軟件成本。
決定無傳感器的BLDC的位置和速度的更為理想的方法是反電動勢（BEMF）“零值穿越.顯示了BLDC電機電壓變化的三條曲線。該電機的BEMF波形的位置和速度功能是由電阻分割器和運算放大器決定的。當不活躍期的BEMF為零時，該系統(tǒng)可對實例名進行檢測。
通過使用BLDC電機的電機引線，BEMF信號的“零值穿越”可出現(xiàn)在從0到5的磁區(qū)。每個磁區(qū)都符合電氣周期的60度部分的要求。在BEMF零值穿越之間有一個30度的偏移。
BEMF零值穿越檢測系統(tǒng)適用于各種電機。為了便于設計，你可以在設計中使用與3相位電機理論有關的Y和?。從零值穿越BEMF技術開始對門限電壓信號的上升和下降的實例名進行搜索，這種方法不必理會電機制造時的容差變化。零值穿越BEMF技術也可以與電壓或電流控制電路一起工作。
然而，零值穿越BEMF方法的一個主要缺點是電機只能以最低速度運轉，以產(chǎn)生足夠的BEMF。其次要的缺點是在電機負載突然變化時，可能造成BEMF回路失去鎖定。DSC的軟件算法通常可以校正這個鎖定條件。
一個無傳感器的BLDC系統(tǒng)的硬件實例,Microchip的dsPIC30F2010 DSC 6通道PWM寄存器可利用一個3相位變頻器驅動BLDC。DSC的PWM部分可產(chǎn)生多個同步輸出。PWM模塊包括3個占空比發(fā)生器的6個輸入和輸出（I/O）引腳。PWM計數(shù)器可提供高達16位的分辨率，系統(tǒng)開發(fā)商能夠執(zhí)行“閑置”的頻率變化。6個16kHz PWM輸出通道可驅動4個輸入通道，同時對與PWM模塊和3個定時器同步的總線電流、總線電壓、需求熱點、相位電壓取樣的10位ADC進行取樣。6通道PWM寄存器用來驅動BLDC電機。
無傳感器的BLDC電機控制電路的硬件框圖。1個10位ADC用來監(jiān)控BLDC電機的反電動勢。ADC輸入AN3、AN4和AN5同時對BLDC電機的3個引線進行取樣，并對總線電壓進行測試。
1個10位ADC用來對BLDC電機的反電動勢進行監(jiān)控。ADC輸入AN12、AN13和AN14，同時對BLDC電機的3個引線進行取樣，并對總線電壓進行測試。10位ADC也可對BEMF進行測試，測出“零值穿越”電壓（VDC）。另外，采用放大器和比較器網(wǎng)絡的電流反饋電路連接到1個PWM故障保護引腳FLTA。如果發(fā)現(xiàn)PWM出現(xiàn)故障，電機就會關斷。取樣的輸出和保持進入轉換器的輸入而產(chǎn)生結果。該器件的電源電壓（AVDD/AVSS）或引腳電壓電平（VREF+/VREF-）的模擬基準電壓可以用軟件進行選擇。
在執(zhí)行BEMF零值穿越任務時，電機速度可以通過軟件進行控制。30度相位可預先擴展電機的運轉速度范圍。dsPIC DSC架構的高執(zhí)行速度可滿足計算馬力的需要，而無需降低電機的控制性能。
總結
隨著汽車電子技術的持續(xù)進展，電子控制的BLDC電機的機會正在諸如液體泵控制和電子助力轉向等急需的應用中擴展，這些需要效率和可靠性的應用是系統(tǒng)開發(fā)商關注的焦點。DSC是這類新出現(xiàn)的基于BLDC應用的嵌入控制處理器的理想選擇。
系統(tǒng)開發(fā)商在DSC架構中的投資具有重要的意義，可以充分應對他們面臨的特殊應用方面的挑戰(zhàn)。單芯片DSC架構必須具有軟件兼容性、強大的外設、快速中斷處理能力和在空間緊張的應用中實現(xiàn)高度計算密集運算的能力。幸運的是，今天的系統(tǒng)設計者可以選擇各種DSC來創(chuàng)建高性能汽車電子系統(tǒng)，同時最大限度地降低系統(tǒng)成本，加速產(chǎn)品的上市時間。
與之相關的是由最主要的DSC供應商提供的開發(fā)工具、應用程序庫、開發(fā)板和參考設計的廣泛陣容。所有這些工具使系統(tǒng)開發(fā)商能夠以一種有效而適時的模式實現(xiàn)他們的設計。
（轉載）
