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(fēng)扇和步進電機等需要持續(xù)旋轉(zhuǎn)等汽車應(yīng)用的理想選擇。BLDC具備了高可靠性應(yīng)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(shè)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(zhuǎn)向等變速應(yīng)用也非常有用。這些類型的應(yīng)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(shè)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(shè)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(shè)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(gòu)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(fù)雜的、高速數(shù)學(xué)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(gòu)件的重復(fù)使用。這種16位單片機（MCU）與強大的DSP能力的結(jié)合可提高汽車電子系統(tǒng)的性能，降低系統(tǒng)成本，使設(shè)計者的產(chǎn)品更快推向市場。
DSC的主要特性小結(jié)
典型的DSC架構(gòu)由中央處理器（CPU）以及為它提供適用于某些汽車BLDC應(yīng)用的外設(shè)特性組成。Microchip的用于電機控制應(yīng)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(yīng)對基于BLDC應(yīng)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(xué)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(jié)果。這種DSC可在一個周期內(nèi)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(jié)果加到累加器，并預(yù)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(nèi)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(biāo)準(zhǔn)的MCU不同，當(dāng)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(jié)構(gòu)
DSC架構(gòu)可提供非常高靈活性的中斷架構(gòu)。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(yīng)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(zhǔn)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(zhǔn)從傳感器獲得的數(shù)據(jù)和換能器之間的變量，并預(yù)先測量偏移量，許多汽車應(yīng)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(shù)，很容易利用快閃DSC在現(xiàn)場對應(yīng)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(zhuǎn)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(yīng)用變化非常重要。選擇適當(dāng)?shù)腄SC時應(yīng)當(dāng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換速率與DSC核心的DSP能力相結(jié)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(diào)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(shè)，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(yīng)用中實現(xiàn)閉環(huán)控制。
控制器局域網(wǎng)絡(luò)（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(luò)節(jié)點的首要標(biāo)準(zhǔn)。
為什么DSC是電機控制應(yīng)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(gòu)非常適用于以下一些控制動作：
a）周期性的服務(wù)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(dāng)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(dāng)?shù)臅r間開啟和關(guān)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(luò)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(jié)
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(zhuǎn)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(dāng)?shù)臅r間改變電機的相位電流，以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)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(nèi)圓周進行軸向切割。簡而言之，當(dāng)定子與感應(yīng)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(gòu)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子體積，其應(yīng)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(gòu)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(zhuǎn)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(shù)進步所帶來的效率提高的直接結(jié)果。
另外，BLDC電機所提供的與電機尺寸有關(guān)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(yīng)用。
BLDC電機可以設(shè)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(yīng)或光學(xué)傳感器，以及支持這些電子器件的成本。如果正在運轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)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(yīng)用
嵌入式系統(tǒng)設(shè)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(biāo)。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(yīng)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(nèi)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(dāng)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(fù)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(fù)位電路的智能片上電源接通復(fù)位（POR）電路，當(dāng)它與欠壓保護連接時，可對電源跳動情況下的芯片進行復(fù)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(shè)，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(shè)，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(dāng)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(shè)計，你可以在設(shè)計中使用與3相位電機理論有關(guān)的Y和?。從零值穿越BEMF技術(shù)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(shù)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(zhuǎn)，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?？梢孕Ｕ@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(qū)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(qū)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(qū)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(luò)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(guān)斷。取樣的輸出和保持進入轉(zhuǎn)換器的輸入而產(chǎn)生結(jié)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(zhǔn)電壓可以用軟件進行選擇。
在執(zhí)行BEMF零值穿越任務(wù)時，電機速度可以通過軟件進行控制。30度相位可預(yù)先擴展電機的運轉(zhuǎn)速度范圍。dsPIC DSC架構(gòu)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(jié)
隨著汽車電子技術(shù)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(zhuǎn)向等急需的應(yīng)用中擴展，這些需要效率和可靠性的應(yīng)用是系統(tǒng)開發(fā)商關(guān)注的焦點。DSC是這類新出現(xiàn)的基于BLDC應(yīng)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(gòu)中的投資具有重要的意義，可以充分應(yīng)對他們面臨的特殊應(yīng)用方面的挑戰(zhàn)。單芯片DSC架構(gòu)必須具有軟件兼容性、強大的外設(shè)、快速中斷處理能力和在空間緊張的應(yīng)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(shè)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(guān)的是由最主要的DSC供應(yīng)商提供的開發(fā)工具、應(yīng)用程序庫、開發(fā)板和參考設(shè)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(shè)計。
（轉(zhuǎn)載）
