无传感器BLDC控制与应用技巧

无传感器BLDC控制与应用技巧 2014英飞凌英飞凌XMC 微控制微控制器器巡回研讨会巡回研讨会 内容 Page 2 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 Page 3 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快速启动原理及实现 总结 带位置传感器的BLDC控制系统 Page 4 2013-07 Copyright Infineon Technologies AG 2013. All rights reserved. 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 Page 5 2013-07 Copyright Infineon Technologies AG 2013. All rights reserved. Why sensorless? Page 6 2013-07 Copyright Infineon Technologies AG 2013. All rights reserved. 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 Page 7 2013-07 Copyright Infineon Technologies AG 2013. All rights reserved. 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 Page 8 2013-07 Copyright Infineon Technologies AG 2013. All rights reserved. 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 Page 9 2013-07 Copyright Infineon Technologies AG 2013. All rights reserved. 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 Page 10 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 ADC处理 Page 11 2013-07 Copyright Infineon Technologies AG 2013. All rights reserved. OnOn MosfetMosfet Trigger A/D Trigger A/D Period match Compare match ADC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 Page 14 2013-07 Copyright Infineon Technologies AG 2013. All rights reserved. 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 Page 15 2013-07 Copyright Infineon Technologies AG 2013. All rights reserved. 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（Vcmp=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 Page 16 2013-07 Copyright Infineon Technologies AG 2013. All rights reserved. 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 Page 17 2013-07 Copyright Infineon Technologies AG 2013. All rights reserved. POSIF单元（无Hall 模式） Page 18 2013-07 Copyright Infineon Technologies AG 2013. All rights reserved. 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。 Page 19 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 Page 20 2013-07 Copyright Infineon Technologies AG 2013. All rights reserved. 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 Page 21 2013-07 Copyright Infineon Technologies AG 2013. All rights reserved. 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 Page 22 2013-07 Copyright Infineon Technologies AG 2013. All rights reserved. 触发POSIF 采样 利用POSIF+CCU4实现换相点判定 Page 23 2013-07 Copyright Infineon Technologies AG 2013. All rights reserved. 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 Page 24 2013-07 Copyright Infineon Technologies AG 2013. All rights reserved. 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 Page 25 2013-07 Copyright Infineon Technologies AG 2013. All rights reserved. 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 Page 26 2013-07 Copyright Infineon Technologies AG 2013. All rights reserved. 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 Page 27 2013-07 Copyright Infineon Technologies AG 2013. All rights reserved. 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 Page 28 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, BB, BC 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 C Time Current(A) 0 无感BLDC启动过程 Page 32 2013-07 Copyright Infineon Technologies AG 2013. All rights reserved. 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 e dt di LiRudc* 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 Page 33 2013-07 Copyright Infineon Technologies AG 2013. All rights reserved. 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 Page 34 2013-07 Copyright Infineon Technologies AG 2013. All rights reserved. 电机启动波形，由波形可知，电机启动时间短 。 电流采样 Page 35 2013-07 Copyright Infineon Technologies AG 2013. All rights reserved. 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 Page 36 2013-07 Copyright Infineon Technologies AG 2013. All