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ES32M0150在无感BLDC电动工具控制的实现方案20220528
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ES32M0150在无感BLDC电动工具控制的实现方案20220528

2022-06-07 14:21:59 来源:东软载波

【哔哥哔特导读】上海东软载波微电子始终致力于为市场提供可靠性高的工业级MCU芯片,在拓展至电机控制领域推出了ES32M0150——入门款32位电机控制SOC芯片,具有资源紧凑,性价比高的特点,适合中低端电机控制应用。

上海东软载波微电子始终致力于为市场提供可靠性高的工业级MCU芯片,在拓展至电机控制领域推出了ES32M0150——入门款32位电机控制SOC芯片,具有资源紧凑,性价比高的特点,适合中低端电机控制应用。

1. 芯片简介

ES32M0150是采用ARM 32位Cortex-M0内核的微控制器,具有64KB FLASH和4KB SRAM。1路高级定时器AD16C4T,3路通用定时器GP16C2T,1路基本定时器BS16T。多达17个I/O,1路12Bit ADC(850KSPS),2路模拟比较器ACMP。2路USART, 2路I2C,1路SPI。

ES32M0150内含专门用于200V 6N-MOSFET的三相栅极驱动器HVG以及5V LDO,特别适合于电池供电的马达驱动。具有死区时间以及防止功率器件直通短路保护功能。

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ES32M0150主要用于无感BLDC、有感FOC电机应用,例如电动工具、园林工具、电动平衡车、水泵和风机等电机控制领域。

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2. 电动扳手方案

2. 1 概述 

电源

► 18V 锂电池供电

电机

► 无感BLDC方波控制

特点

► 六步换相控制

► 启动力矩大

► 初始位置检测

► BEMF过零点检测

► 速度闭环控制

► 多级硬件刹车保护电流

► 集成预驱可靠性高

功能                                                

► 软启动

► LED 照明

► 手柄开关启动和自停

► 支持调速开关

► 正反转控制

► 过流保护

► MOS 管过温保护

► 电池欠压保护

► 电量指示

► 故障报警指示

2. 2 电动扳手原理框图

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2. 3 六步换相 

PWM控制方式(H-PWM-L-ON)

► 上桥臂PWM调制导通

► 下桥臂高电平导通

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2. 4 信号采样

PWM & ADC

► 四路高级定时器,均可工作在PWM中心对齐模式,其中三路定时器控制电机三相驱动,第四路的PWM比较匹配事件可灵活设置在三相PWM“ON”状态的任意位置,第四路的PWM的比较匹配中断作为外设互联PIS的输入信号,由PIS自动触发插入组ADC转换检测断开相的反电动势。

► 采用PIS触发ADC转换的方式,ADC工作速度能做到850KSPS,占空比相对较小时也能满足PWM“ON"区间采样,能满足一般低速要求的场合,适合大多数电动工具的应用。

► 消磁事件,换相后延时15°电角度再进行PWM周期采样,规避线圈产生的尖峰脉冲。

反电动势判断过零

► 通过检测各相反电动势的过零点,就可以获得转子的几个关键位置来实现无霍尔传感器的直流无刷电机换相控制。

► 只要在每个60°内检测不通电那一相的电压,即可检测到反电动势。

► 两个换相点的中间都对应一个反电动势的极性改变的点,即反电动势从正变化为负或者从负变化为正的点,称为过零点。

► 利用反电动势的这个特性,只要我们能够准确检测出反电动势的过零点,将其延迟30°,即为需要换相的时刻。

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建立闭环调速

► 每一相的反电动势都有两种过零情况:从正变为负和从负变为正。三相共有六种过零情况,对应六种换相状态,这种对应关系固定不变。

► 换相顺序做成表,程序每检测到一个过零点,就通过查表来决定相应的PWM和IO输出,控制下一步哪两相通电。

► 插入组ADC检测切换到当前的断开相继续检测反电动势过零点,如此循环,直至建立稳定的闭环。

► 过零点超前换相点30°电角度,因此在检测到过零点后,要先延迟30°电角度再换相。而相邻两个过零点之间的时间间隔是60°电角度, 通过测量的两个过零点的时间间隔, 就可以计算出换相时间。

► 当闭环建立后, 通过软件滤波,电机的转速是渐变的,相邻两个换相周期的时间相差不会很大。

► 进入闭环后,通过改变PWM的占空比即可调节电机转速,占空比越大转速越高。

初始位置检测

► BLDC电机的起动方式是控制难点。由于电机绕组的反电动势与转速正相关,当转速很低时,BEMF也非常小以致很难准确检测,本方案电机采用高频注入法实现转子初始位置定位,以给定速度启动。

► 工作原理:对处于永磁体磁场中的线圈施加一个电压,根据磁场方向的不同,产生的电流会增强或削弱磁场的强度,从而使线圈电感减小或增大。

► 实现方法:先将某一相绕组连接到高电平,另外两相接地,这时产生的定子磁场方向如图所示。然后将接地的两相绕组改接到高电平,原来接高电平的绕组接地,产生一个方向相反的磁场。两种情况的通电时间都很短,转子并不转动,绕组中产生一个电流脉冲。比较这两种情况下电流脉衝的大小,即可比较出两次绕组电感的大小,从而可把转子定位在180°的范围内。然后换一相电机绕组重复刚才的过程,把转子定位在另外180°的范围内。三相绕组各进行一次检测,三个范围的重合处,即可确定转子所在的60°范围。

► 由于这种方法每次绕组通电的时间都很短,因此不会担心过流的问题。另外由于不会改变转子位置,在转子运行的间隙中也可以用这种方法来检测转子位置。 

2. 5 总结

ES32M0150是上海东软载波微电子推出的一款专用电机控制芯片,集成三相栅极驱动器驱动MOSFET。芯片性价比高,用户可以进一步降低BOM成本,减小PCBA面积。内置两个模拟比较器,可灵活实现比较器过零检测和硬件过流保护。注入组高速ADC满足大多数低速电机应用场合。

我司为客户提供无感BLDC电动工具开发套件,通过灵活的参数配置,用户可快速导入产品,缩短产品的开发周期。

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