BLDC電機與傳統有刷電機相比，具有更高的能效、更長的使用壽命、更緊湊的外形、更低的噪音和更高的可靠性，這些優點使得BLDC愈來愈多地出現在汽車應用中，用來取代傳送帶和液壓系統，提供額外功能和提高燃油經濟性，同時消除維護成本。由于電勵磁必須與轉子位置同步，因此BLDC 電機在運行時，通常需要一個或多個轉子位置傳感器。由于成本、可靠性、機械包裝的原因，特別是當轉子在液體中運行時，電機適宜在無位置傳感器的條件下運行，即通常所說的無傳感器運行。

對于汽車用BLDC控制系統來說，希望能做到PCB尺寸小，BOM成本低以及簡單可靠，低功耗等特點，針對這系列的需求，飛思卡爾半導體推出針對汽車三相無刷電機的單芯片解決方案S12ZVM家族。S12ZVM是目前市場上集成度最高的無刷直流（BLDC）電機控制解決方案，有助于加快從直流（DC）到BLDC電機的過渡。

1 S12ZVM特點

飛思卡爾S12ZVM系列是具有突破性的技術，它將MCU、MOSFET柵極驅動單元、電壓調節器和本地互聯網絡 （LIN） 物理層這四個系統元素結合到一個單芯片解決方案中，如圖1。通常實現這四個功能需要兩至四個芯片。與其它分立式解決方案相比，飛思卡爾通過片上集成將印刷電路板所占物理空間減少了50%。同時汽車制造商不斷尋求可減輕汽車重量和降低功耗的方法，因為這有助于提升燃油經濟性。電子系統供應商和電機制造商也正在迎合這一趨勢，但是在面對定制的解決方案時，他們獲得的解決方案往往不是最優的，或不具有可擴展性。S12ZVM系列提供諸多不同的產品版本，支持CAN和LIN通信協議，具有多種存儲器容量和封裝選項。 這將允許客戶可重復使用硬件和軟件設計，為空調風機、雨刮器、燃油泵和水泵等應用開發真正的平臺解決方案。

圖1 S12ZVM集成方案

2 無傳感BLDC控制系統設計

如圖2所示，三相BLDC電機控制可采用三相六拍的控制方法，每隔60個電角度進行換向控制，同時對三相橋PWM控制可采用單極性控制策略，上橋采用PWM控制，下橋可直接導通與地相連，其優點在于控制簡單，較低的MOS管開關損耗及較低的EMC噪音。

圖2 三相六拍單極性控制策略

圖3為采用S12ZVM的無傳感BLDC控制系統設計框圖，除了三相橋與采樣電阻之外，整個控制都可以由S12ZVM內部來實現。當采用三相六拍控制策略時，只需要一個采樣電阻來檢測電流的大小，S12ZVM內部有運放可以對電流信號進行放大并通過AD模塊進行采樣，同時還可以將放大的電流信號經過比較器與給定的電壓進行比較做過流保護。圖中藍色部分為S12ZVM的硬件模塊，而綠色部分則由軟件來實現功能。AD模塊采樣相電壓，DCBUS電壓和工作電流，經過過零點檢測算法來確定換向控制并計算BLDC實際速度，速度環的PI控制器對實際速度和設定速度差值進行計算，從而決定PWM的占空比來控制BLDC電機轉動力矩，保證實際速度按照設定的速度運行。

圖3 S12ZVM BLDC無傳感控制框圖

由于無法確切知道BLDC無傳感電機的初始位置，其啟動過程要比帶Hall傳感器BLDC電機的啟動過程復雜。如圖4所示，其啟動過程包括Alignment階段，Open Loop Starting階段及最終的Run階段。在Alignment階段，控制器同時施加相同占空比的PWM給A相與B相，C相則與地相連，這樣就將BLDC電機穩定在一個已知的位置。占空比的大小與持續的時間取決于BLDC電機特性和負載大小，通常持續時間在100ms到500ms之間。當Alignment過程結束后，就進入Open Loop Starting階段，由于反電動勢與轉子轉速成正比，在極慢的轉速下反電動勢的幅值很低，很難檢測到過零點。因此，當電機從靜止狀態啟動時必須采用開環控制，待有足以檢測到過零點的反電動勢時，才轉而采用反電動勢檢測控制并進入Run階段。當進入到Run階段后，BLDC就采用速度閉環控制，過零點由反向電動勢檢測所得。

圖4 BLDC無傳感控制啟動流程

3 無傳感位置檢測實現

依靠Hall傳感器的運行實現起來非常容易，但除去hall傳感器可降低系統成本并提高可靠性。BLDC電機轉動時，每個繞組都會產生叫做反電動勢的電壓，根據楞次定律，其方向與提供給繞組的主電壓相反。反電動勢主要取決于三個因素：轉子角速度，轉子磁體產生的磁場，定子繞組的匝數。

當采用傳感器時，MCU會根據hall信號來決定BLDC換向點。當采用無傳感控制時，則可以采用反電動勢過零點檢測來決定正確的換向點，如圖5所示。

圖5 BLDC反電動勢過零點

當在一個恒速情況下，切換周期等于過零點周期，途中圈圈待表著過零點發生的地方，一般處在兩個切換點的中間。所以通過timer得出上一次過零點時間以及本次的過零點時間，就可以計算出正確的換向點。

其中： –實際過零點時間， –上次過零點時間， –下次換向點時間， –范圍在0.3-0.5的常數 （取決于電機參數）。

所以，成功檢測反電動勢過零點就決定了無傳感控制BLDC成功的關鍵。如圖6所示，通常有硬件和軟件兩種方式來能檢測到反電動勢過零點。第一種是采用三個硬件比較器，在某切換周期中不加電的一相可以通過相應的硬件比較器與1/2的Udcb電壓進行比較，在PWM周期中On有效時，比較器能夠檢測到反向電動勢電壓變化從而得出過零點的位置。第二種方式可以用軟件AD采樣來實現，在BLDC電機運行過程中，使用ADC對不加電的一相進行采樣，與此同時Udcb會被另一路ADC模塊同時采樣，然后軟件可以實時的根據兩個采樣數值進行過零點判斷。

圖6 BLDC反電動勢過零點檢測方法

采用比較器的方式可以降低CPU的負擔，但軟件采樣的方式更加的靈活，可以更加精確檢測出過零點的位置。S12ZVM同時集成了實現上述兩種方式的硬件模塊，內部包括三個相位比較器來實現硬件比較，AD模塊包括兩個獨立的AD convertor來實現軟件采樣，兩個AD convertor可以對反向電動勢電壓與Udcb電壓的同時采樣，確保過零點檢測更加的準確。

當采用軟件采樣的方式時，必須要選擇合適的采樣點。圖7顯示在一個PWM周期中通電情況下反向電動勢電壓的變化情況。在PWM周期中ON有效時，SAtop管被打開接DCBUS，SCbot也打開與地相連。所以電流會從DCBUS經過SAtop管流過A相與C相，再進過SCbot管流入地，可見三相的中間點電壓可以近似為DCBUS/2。此時在B相上產生基于DCBUS/2電壓的反向電動勢就可以被檢測出正向與反向，這也意味著過零點的電壓能夠被成功的檢測到。在PWM周期中處于OFF時，此時A相與C相的下橋分別與地相連，三相的中間點也就近似于與地相連，在這種情況就很難檢測到B相反電動勢的過零點。

圖7 BLDC反電動勢采樣點

由此可以發現，對反向電動勢的檢測只有在PWM周期中處于ON狀態時才能實現。對于AD模塊來說，就需要與PWM進行同步，配合定時延遲模塊，可以在PWM周期中ON狀態即將結束之前進行精確采樣。S12ZVM有PTU可編程觸發單元模塊，其內部包含一個16bit計數器，兩個獨立的觸發發生器，可以配置高達32個觸發事件，同時可以根據PWM模塊的Reload事件來啟動PTU觸發過程。圖8可以很形象的理解無傳感檢測反向電動勢的采樣過程，PMF/PWM產生一個PWM Reload信號給PTU單元，PTU單元中的16bit Counter開始計數，PTU會在T2這個時間點產生一個觸發事件來觸發ADC0與ADC1分別對反向電動勢與DC bus電壓同時采樣，當ADC采樣轉換結束后就產生一個ADC中斷，在ADC中斷服務子程序中就可以做反向電動勢過零點的判斷等操作。

圖8 BLDC反電動勢采樣策略

4 總結

本文詳細介紹了飛思卡爾S12ZVM混合集成芯片在車用BLDC中的應用，其中包括S12ZVM的無傳感控制策略及啟動過程，同時也詳細介紹了反電動勢過零點檢測方法及策略。通過飛思卡爾S12ZVM單芯片電機控制解決方案，設計師可縮小產品尺寸、降低噪音并提升能效，加快車用BLDC控制器的開發過程。