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无传感器BLDC控制与应用技巧

2014英飞凌XMC 微控制器巡回研讨会

内容

2013-07 Copyright © Infineon Technologies AG 2013. All rights reserved.

无感BLDC控制原理分析

基于XMC1300无感BLDC控制系统的实现

无感BLDC启动原理及实现

总结

内容




无感BLDC快速启动原理及实现

总结

带位置传感器的BLDC控制系统


微控制器

Hall A

Hall B

Hall C

位置

母线电压

母线电流

速度给定 P

W

M

输出

BLDC换相的HALL信号


Why sensorless?


HALL的安装条件受到限制

Hall影响可靠性

安装精度有要求

成本高（线材，接插件，元件等）

SENSORLESS模式通过反电势获得换相信息，摆脱对HALL的依赖

使用Hall面临的问题

HALL信号和电机相反电势的关系


有传感器BLDC控制波形

2014/7/14

霍尔3

A

B

C

霍尔1

霍尔2

30°

相反电动势过零点延迟30度对应霍尔信号边沿

有效地检测反电势过零点可以实现无感换相

反电势来源


Freewheel

current

Zero

crossing

point

Commutation

30°

在电机的非导通相可以检测到反电势

无感BLDC反电势检测方式


1）通过AD检测实现

2）通过比较器实现

能准确的获得三相电动势的信息，精准的实现换相。

在高速依靠比较器的快速性，实现电机准确换相。

内容





总结

ADC处理


On On

Mosfet Mosfet

Trigger

A/D

Trigger

A/D

Period match

Compare matchADC可以在PWM任意时刻硬件触发，一般选在PWM_ON中点或末端

换相带来的电感尖峰需要回避

XMC1300 ADC支持LIMIT CHECKING

XMC1300 ADC limit checking 功能带来处理便利

转换结果落到指定区间内自动触发中断请求

门限可以自由设定

过零参考点调整

d = 28%, rising > falling d = 100%

ADC方式可以调整过零参考点改善上升沿下降沿反电势对称

受限于ADC的处理速度，不适合高速应用

基于比较器方式的XMC1300无感BLDC控制系统


内置三个高速比较器，无须输入信号切换

POSIF单元处理比较器信号，实现硬件换相

CCU4配合POSIF实现滤除开关毛刺和续流尖峰处理、换相延时。

XMC1300 内置比较器


每个比较器可独立配置输入滤波、滞环电压、输出极性

延迟时间30nS（ΔVcmp=100mV时）

比较结果可输出到IO、产生中断或者接到ERU产生信号

三个比较器的正输入端可以软件配置成共用一个端口，接入虚拟中心点

XMC1301 内置比较器输入信号


U相反电动势与中心点电压波形

中心点电位Vn等于 (Uu+Uv+Uw)/3

POSIF部分


POSIF单元（无Hall 模式）


Hall 模式

内建输入滤波器排除噪声影响，也可以延迟采样规避干扰

支持多通道模式操控PWM输出，且能与PWM同步

正确采样事件硬件触发CCU4作速度检测

比较器输出信号通过ERU连接到POSIF信号输入端，取代HALL

端电压需要回避干扰

电机端电压信号必须处理掉不希望的干扰，但注意不能采用滤波手段，

以免带来相移。 2013-07 Copyright © Infineon Technologies AG 2013. All rights reserved.

电感尖峰

和PWM开

关噪声需

屏蔽处理

未经屏蔽处理的比较器输出信号


未经屏蔽处理的比较器输出信号包含PWM开关和电感续流尖峰带来的杂波

有效边沿1 有效边沿2

POSIF采样经过屏蔽处理的比较器输出信号

由于PWM的作用，比较器输出高频开关信号，必须按照PWM同步屏蔽，才能检出有效信号。

执行换相后，电感续流尖峰会带来错误的比较输出，须加以屏蔽。

监测窗口的宽度正比于PWM占空比，随之增大而增大


利用POSIF与CCU4消除换向尖峰毛刺与PWM开关信号

External Gating by CC83/43 ST

External Modulation by CC42ST

POSIF.OUT0 (边沿有变化)

POSIF采样由CC40的ST信号确认

屏蔽作用通过影响CC40 ST实现

CCC40的外部事件描述 Event0---外部启动，ST信号确认采样

Event1---外部门控，执行PWM同步屏蔽

Event2---外部调制，执行换相后屏蔽


触发POSIF采样

利用POSIF+CCU4实现换相点判定


POSIF采样信号由CCU40ST 信号确定，通过CCU40ST可以屏蔽掉无效输入

同步整流的实现


非同步整流PWM输出波形

续流过程中电流经过二极管，能量消耗在二级管上

同步整流的实现


同步整流PWM输出波形

同步整流时，续流通过MOSFET导通电阻，热量消耗在导通电阻上。

非同步整流的实验波形


非同步整流：端电压频率735HZ

电源输入12V，电流4.64A。

同步整流的实验波形


同步整流：端电压频率735HZ

电源输入12V，电流4.36A，相比较非同步整流效率提高了6%

内容




无感BLDC快速启动原理及实现

总结

启动

启动初始, 电机没速度和BEMF，必须把电机加速到一定程度才能得到连续可靠地BEMF换相信息。

启动过程

确定电机初始位置

开环运行

切入闭环

初始转子位置通过检测通电时电流大小的不同来判定.

每一相都正反通电, 电感量的不同反映在检测到的电流上

初始位置检测

phase A

phase B

phase C

VDC

BC

BB

BA

Vector sum of

fields BA, B

B, B

C

Vector sum of

fields BB

and BC

phase A

energized in

forward

direction

不同位置的电流峰值

两两通电的六种组合状态可以将转子位置判定到60度区间

Current Sensor Output with Bias Rotor Position within

60°

phase A

phase B

phase CTime

Cu

rre

nt(

A)

0

无感BLDC启动过程


在零速时，依据反电动势过零换向信号还未稳定。可采用6步+母线电流变化率信号进行换向

edt

diLiRudc *

当某两相导通时，若电机此时还未转动，此时电机相当于电阻与电感的串联，那么母线电流的最大值保持不变。

施加的6步电压让电机转动，则此时母线上的电流发生变化。根据母线电流变化

，进行换向操作。

同步检测反电势产生的换相信号，待其连续稳定时切入

无感BLDC启动分析


实验条件 :母线电压：12V 绿色：母线电流

黄色：CC42输出波形（正确霍尔事件后延30度。）

紫色：电流换向信号

实验波形


电机启动波形，由波形可知，电机启动时间短。

电流采样


3 Phase

PMSM

Power MOSFET

ADC Channel

每个通道的采样单元内置模拟放大，倍率1,3,6,12可选，成本敏感用户可以用于无运放直读ADC

初始位置判定和快速启动需要母线电流信息

内容





总结

XMC1300实现高速无感BLDC总结

内置三个高速比较器，无须输入信号切换

POSIF单元处理比较器信号，实现硬件换相

CCU4配合POSIF实现开关毛刺和续流尖峰处理、换相延时

互补PWM输出，实现同步整流

ADC直读

MCU封装提供TSSOP、VQFN形式


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