機(jī)械啟動(dòng)的汽車系統(tǒng)正在被采用電動(dòng)電機(jī)技術(shù)的系統(tǒng)所取代。隨著汽車系統(tǒng)開發(fā)商期待利用電子電機(jī)控制來滿足消費(fèi)者對(duì)更加安全有效的汽車的需求，汽車中使用的半導(dǎo)體產(chǎn)品的數(shù)量正在與日俱增。
作為同步電機(jī)類產(chǎn)品的無刷直流（BLDC）電機(jī)成為了諸如油泵、水泵、冷卻風(fēng)扇和步進(jìn)電機(jī)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(dòng)和停止功能的定位機(jī)制。
進(jìn)一步講，BLDC電機(jī)所提供的電子控制功能，諸如節(jié)省能量、減少對(duì)環(huán)境的影響和設(shè)計(jì)更加安全的車輛以成為法定車輛不可缺少的條件。BLDC電機(jī)對(duì)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(jì)者滿足這種日益增長的需求和今天的駕駛者需求的一個(gè)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(jì)者滿足這些需求，同時(shí)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(shí)間的要求。
汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(tái)是BLDC電機(jī)控制的理想選擇，這就是16位數(shù)字信號(hào)控制器（DSC）。這種類型的平臺(tái)可與數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的計(jì)算和吞吐能力共同對(duì)單片機(jī)進(jìn)行控制。這樣，DSC就可以在實(shí)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(duì)引腳的兼容性，實(shí)現(xiàn)硬件和軟件構(gòu)件的重復(fù)使用。這種16位單片機(jī)（MCU）與強(qiáng)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(jì)者的產(chǎn)品更快推向市場(chǎng)。
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(jī)控制應(yīng)用的16位dsPIC DSC的一些優(yōu)勢(shì)特性包括：
· 兩個(gè)40位寬累加器
· 單周期，16×16乘加（MAC）運(yùn)算
· 40級(jí)柱狀位移器
· 雙運(yùn)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(shí)器和實(shí)時(shí)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(duì)基于BLDC應(yīng)用電子控制挑戰(zhàn)的控制器。
增強(qiáng)型CPU功能
16位DSC的一個(gè)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(gè)40位累加器，可存儲(chǔ)16位×16位的乘法運(yùn)算的兩個(gè)獨(dú)立的結(jié)果。這種DSC可在一個(gè)周期內(nèi)執(zhí)行絕大部分指令。
許多性能取向的信號(hào)處理算法都包括運(yùn)行“積之和”計(jì)算。諸如乘加（MAC）的特殊指令可提供乘2個(gè)16位數(shù)字，將結(jié)果加到累加器，并預(yù)先從隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）中訪問一對(duì)數(shù)據(jù)值的能力，所有這些都在一個(gè)單指令周期之內(nèi)完成。2個(gè)累加器中一個(gè)用來回寫數(shù)據(jù)，另一個(gè)用來同時(shí)執(zhí)行計(jì)算。
此外，與標(biāo)準(zhǔn)的MCU不同，當(dāng)解譯數(shù)據(jù)是分?jǐn)?shù)形式，而不是以整數(shù)形式的數(shù)據(jù)出現(xiàn)時(shí)，DSC具有支持分?jǐn)?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(gè)別可選擇的和可優(yōu)先化的中斷源，這對(duì)包括多個(gè)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(shí)間是非常準(zhǔn)確的，這對(duì)于系統(tǒng)開發(fā)商來說更加容易。
運(yùn)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(cè)量偏移量，許多汽車應(yīng)用需要對(duì)常數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)。許多DSC器件使用程序快閃存儲(chǔ)器和基于快閃數(shù)據(jù)的EEPROM，它可以可靠而有效地存儲(chǔ)和訪問這些常數(shù)。對(duì)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(chǔ)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(chǎng)對(duì)應(yīng)用固件進(jìn)行升級(jí)。此外，ICSP可將同一個(gè)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(shí)現(xiàn)。
高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）
選擇一個(gè)高速的、高分辨率的片上ADC對(duì)測(cè)量小而快速的應(yīng)用變化非常重要。選擇適當(dāng)?shù)?/SPAN>DSC時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮的最重要因素之一是同時(shí)測(cè)量不同取樣的能力。它可以測(cè)量發(fā)生在同相的電機(jī)電壓和電流，以避免控制回路中出現(xiàn)錯(cuò)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(shí)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(jìn)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(duì)含有噪聲的電機(jī)反饋信號(hào)進(jìn)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(hào)的自動(dòng)生成。某些DSC集成了支持這些基于PWM算法的先進(jìn)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(gè)系統(tǒng)的靈活性。
首先，多個(gè)PWM發(fā)生器可為BLDC電機(jī)的正弦波換向提供補(bǔ)充的輸出和自動(dòng)死區(qū)時(shí)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(dòng)，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(shí)現(xiàn)閉鎖或自動(dòng)過流保護(hù)。而且，ADC可與校正分流電阻電流測(cè)量的PWM保持同步。
正交編碼器接口（QEI）
對(duì)汽車運(yùn)行的各個(gè)方面有效的電子控制來說，車輛的速度和位置，以及機(jī)械部件的速度和位置的精確和迅速的測(cè)量是十分重要的。正交編碼器有利于進(jìn)行這方面的測(cè)量，并能在各種電機(jī)控制應(yīng)用中實(shí)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(jìn)，發(fā)展速度越來越快，它對(duì)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(diǎn)的首要標(biāo)準(zhǔn)。
為什么DSC是電機(jī)控制應(yīng)用的理想選擇？
DSC的CPU可支持一整套強(qiáng)大的DSP指令和靈活的尋址模式，因此可實(shí)現(xiàn)快速而精確的算法和邏輯計(jì)算。許多DSC架構(gòu)非常適用于以下一些控制動(dòng)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(jì)算出使防抱死剎車系統(tǒng)適當(dāng)發(fā)揮作用所需的制動(dòng)壓力。
b）多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)捕捉和控制輸入。它可以同時(shí)測(cè)量車輛的速度、加速度、車體/車輪的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和駕駛角度，以確定主動(dòng)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(shí)現(xiàn)可變的占空比PWM信號(hào)，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)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(jìn)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(jī)小結(jié)
BLDC電機(jī)不直接采用直流（DC）電壓電源運(yùn)行，也不使用碳刷進(jìn)行換向。BLDC電機(jī)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(shí)現(xiàn)電子換向的電機(jī)。
換向是在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間改變電機(jī)的相位電流，以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)扭力的動(dòng)作。碳刷電機(jī)的換向是通過機(jī)械方式執(zhí)行的，BLDC電機(jī)則必須利用電子方式執(zhí)行。
BLDC電機(jī)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(jìn)行軸向切割。簡而言之，當(dāng)定子與感應(yīng)電機(jī)的繞組相似時(shí)，電機(jī)繞組可以用一種非分布式的形式進(jìn)行配置。每個(gè)繞組都是由無數(shù)個(gè)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(gè)分布在定子外圍的繞組形成一個(gè)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(dòng)勢(shì)（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(duì)。制造轉(zhuǎn)子的磁性材料是根據(jù)所需的磁場(chǎng)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(jìn)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(jī)更大的扭矩。對(duì)BLDC電機(jī)來說，需要有一種檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁鐵位置的方法。
BLDC電機(jī)既快速，又沒有噪聲，既有效率，又具有更長的運(yùn)行壽命，所以正在得到普及。另外，BLDC電機(jī)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(jìn)步所帶來的效率提高的直接結(jié)果。
另外，BLDC電機(jī)所提供的與電機(jī)尺寸有關(guān)的扭矩比率要比非BLDC電機(jī)更高，這使BLDC電機(jī)成為非常適用于空間和重量敏感的應(yīng)用。
BLDC電機(jī)可以設(shè)計(jì)成基于傳感器或無傳感器的系統(tǒng)。無傳感器的BLDC電機(jī)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(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子浸入諸如燃料、油或水中時(shí)，無傳感器的運(yùn)行也能令人滿意。在無傳感器控制中，換向需要利用反電動(dòng)勢(shì)（BEMF）的零值穿越。
DSC如何控制BLDC應(yīng)用
嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)者面臨的挑戰(zhàn)仍然是在保持靈活性的同時(shí)實(shí)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(duì)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(shí)時(shí)控制能力。DSC帶來的其他系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)包括：
a）由自身內(nèi)部振蕩器運(yùn)行，而不依賴于系統(tǒng)時(shí)鐘的可靠的看門狗定時(shí)器。
b）當(dāng)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)鐘故障時(shí)，片上時(shí)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(hù)連接時(shí)，可對(duì)電源跳動(dòng)情況下的芯片進(jìn)行復(fù)位。這有助于以低成本實(shí)現(xiàn)更可靠的系統(tǒng)。
e）先進(jìn)的模擬外設(shè)，包括一個(gè)工作在1.1Msps、具有支持同時(shí)取樣和控制多達(dá)8個(gè)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(dá)8個(gè)通道的電機(jī)控制PWM增強(qiáng)型電機(jī)控制外設(shè)，它采用中心對(duì)齊或邊緣對(duì)齊模式，外加1個(gè)片上QEI。這將改進(jìn)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(dòng)勢(shì)（BEMF）“零值穿越.顯示了BLDC電機(jī)電壓變化的三條曲線。該電機(jī)的BEMF波形的位置和速度功能是由電阻分割器和運(yùn)算放大器決定的。當(dāng)不活躍期的BEMF為零時(shí)，該系統(tǒng)可對(duì)實(shí)例名進(jìn)行檢測(cè)。
通過使用BLDC電機(jī)的電機(jī)引線，BEMF信號(hào)的“零值穿越”可出現(xiàn)在從0到5的磁區(qū)。每個(gè)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(gè)30度的偏移。
BEMF零值穿越檢測(cè)系統(tǒng)適用于各種電機(jī)。為了便于設(shè)計(jì)，你可以在設(shè)計(jì)中使用與3相位電機(jī)理論有關(guān)的Y和?。從零值穿越BEMF技術(shù)開始對(duì)門限電壓信號(hào)的上升和下降的實(shí)例名進(jìn)行搜索，這種方法不必理會(huì)電機(jī)制造時(shí)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(gè)主要缺點(diǎn)是電機(jī)只能以最低速度運(yùn)轉(zhuǎn)，以產(chǎn)生足夠的BEMF。其次要的缺點(diǎn)是在電機(jī)負(fù)載突然變化時(shí)，可能造成BEMF回路失去鎖定。DSC的軟件算法通?？梢孕Ｕ@個(gè)鎖定條件。
一個(gè)無傳感器的BLDC系統(tǒng)的硬件實(shí)例,Microchip的dsPIC30F2010 DSC 6通道PWM寄存器可利用一個(gè)3相位變頻器驅(qū)動(dòng)BLDC。DSC的PWM部分可產(chǎn)生多個(gè)同步輸出。PWM模塊包括3個(gè)占空比發(fā)生器的6個(gè)輸入和輸出（I/O）引腳。PWM計(jì)數(shù)器可提供高達(dá)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(gè)16kHz PWM輸出通道可驅(qū)動(dòng)4個(gè)輸入通道，同時(shí)對(duì)與PWM模塊和3個(gè)定時(shí)器同步的總線電流、總線電壓、需求熱點(diǎn)、相位電壓取樣的10位ADC進(jìn)行取樣。6通道PWM寄存器用來驅(qū)動(dòng)BLDC電機(jī)。
無傳感器的BLDC電機(jī)控制電路的硬件框圖。1個(gè)10位ADC用來監(jiān)控BLDC電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)。ADC輸入AN3、AN4和AN5同時(shí)對(duì)BLDC電機(jī)的3個(gè)引線進(jìn)行取樣，并對(duì)總線電壓進(jìn)行測(cè)試。
1個(gè)10位ADC用來對(duì)BLDC電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行監(jiān)控。ADC輸入AN12、AN13和AN14，同時(shí)對(duì)BLDC電機(jī)的3個(gè)引線進(jìn)行取樣，并對(duì)總線電壓進(jìn)行測(cè)試。10位ADC也可對(duì)BEMF進(jìn)行測(cè)試，測(cè)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(gè)PWM故障保護(hù)引腳FLTA。如果發(fā)現(xiàn)PWM出現(xiàn)故障，電機(jī)就會(huì)關(guān)斷。取樣的輸出和保持進(jìn)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(jìn)行選擇。
在執(zhí)行BEMF零值穿越任務(wù)時(shí)，電機(jī)速度可以通過軟件進(jìn)行控制。30度相位可預(yù)先擴(kuò)展電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度范圍。dsPIC DSC架構(gòu)的高執(zhí)行速度可滿足計(jì)算馬力的需要，而無需降低電機(jī)的控制性能。
總結(jié)
隨著汽車電子技術(shù)的持續(xù)進(jìn)展，電子控制的BLDC電機(jī)的機(jī)會(huì)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(kuò)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(diǎn)。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(duì)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)高度計(jì)算密集運(yùn)算的能力。幸運(yùn)的是，今天的系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可以選擇各種DSC來創(chuàng)建高性能汽車電子系統(tǒng)，同時(shí)最大限度地降低系統(tǒng)成本，加速產(chǎn)品的上市時(shí)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(jì)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(shí)的模式實(shí)現(xiàn)他們的設(shè)計(jì)。
（轉(zhuǎn)載）
