F²MC-8L/16LX/FR FAMILY

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1 富士通半导体 ( 上海 ) 有限公司应用笔记 MCU-AN Z-11 F²MC-8FX 家族 8 位微型控制器 MB95200 系列 BLDC 电动机反电势 120 驱动方式 应用笔记

2 修改记录 修改记录 版本日期作者修改记录 V Glede. Luo 初稿 V Glede. Luo 根据文档反馈修改 本手册包含 27 页 1. 本文档记载的产品信息及规格说明如有变动, 恕不预先通知 如需最新产品信息和 / 或规格说明, 联系富士通销售代表或富士通授权经销商 2. 基于本文档记载信息或示意图的使用引起的对著作权 工业产权或第三方的其他权利的侵害, 富士通不承担任何责任 3. 未经富士通明文批准, 不得对本文档的记载内容进行转让 拷贝 4. 本文档所介绍的产品并不旨在以下用途 : 需要极高可靠性的设备, 诸如航空航天装置 海底中继器 核控制系统或维系生命的医用设施 5. 本文档介绍的部分产品可能是 外汇及外贸管理法 规定的战略物资 ( 或专门技术 ), 出口该产品或其中部分元件前, 应根据该法获得正式批准 版权 2009 富士通半导体 ( 上海 ) 有限公司 MCU-AN Z-11- 第 2 页

3 目录 目录 修改记录... 2 目录 概要 背景介绍 多脉冲发生器 多脉冲发生器的结构图 多脉冲发生器的寄存器 反电势介绍 反电势的产生 电动机完整的旋转周期 反电势模型 硬件设计 系统结构图 位置信号调节电路 位置检测电路设计 分压器 固件原则和理论 固件的主要流程图 无传感器启动 启动驱动模式 反电势过零检测 启动算法 从启动到正常运行的转换 正常运行 MCU-AN Z-11 - 第 3 页

4 目录 驱动模式 实时参数 桥臂调制技术 使用 EMF 驱动方式的注意事项 驱动模式和位置检测的关系 DTTI 输入控制操作 无传感器控制的优缺点 无传感器控制的优点 无传感器控制的缺点 更多信息 附录 MCU-AN Z-11- 第 4 页

5 第 1 章概要 1 概要 本文档描述了 MB95330H 系列 8 位微型控制器使用的 BLDC( 无刷直流 ) 电动机反电势 120 驱动方式 MCU-AN Z-11 - 第 5 页

6 第 2 章背景介绍 2 背景介绍 本章介绍了多脉冲发生器 (MPG) 和反电势 120 驱动 BLDC 电动机 2.1 多脉冲发生器多脉冲发生器包括一个 16 位 PPG 定时器 一个 16 位重载定时器和一个波形顺序发生器 使用波形顺序发生器,16 位 PPG 定时器输出信号可以根据多脉冲发生器 (SNI2-SNI0) 的输入信号被指向到多脉冲发生器输出 (OPT0-OPT5) 同时,OPT0-OPT5 输出信号在紧急情况下可以被 DTTI 输入终止 为了避免不必要的干扰,OPT0-OPT5 输出信号与 PPG 信号同步 多脉冲发生器的结构图 图 2-1: 多脉冲发生器的结构图 MCU-AN Z-11- 第 6 页

7 图 2-1 为多脉冲发生器的结构图 BLDC 电动机反电势 120 驱动方式 V1.1 第 2 章背景介绍 16 位 PPG 定时器 16 位 PPG 定时器用于为波形顺序发生器提供 PPG 信号 MB95330H 系列硬件手册详细 介绍了 16 位 PPG 定时器 16 位重载定时器 16 位重载定时器用作波形顺序发生器的间隔定时器 MB95330H 系列硬件手册详细介绍 了 16 位重载定时器 波形顺序发生器 波形顺序发生器是多功能脉冲发生器的核心, 可产生各种信号波形 MCU-AN Z-11 - 第 7 页

8 2.1.2 多脉冲发生器的寄存器 BLDC 电动机反电势 120 驱动方式 V1.1 第 2 章背景介绍 MCU-AN Z-11- 第 8 页

9 第 2 章背景介绍 图 2-2: 多脉冲发生器的寄存器 图 2-2 显示了多功能脉冲发生器的寄存器 参见 MB95330H 系列硬件手册的第 24 章了解更多详细信息 MCU-AN Z-11 - 第 9 页

10 第 2 章背景介绍 2.2 反电势介绍 反电势的产生 根据简单的物理学理论, 当导体和磁场之间存在相对运动时, 电流流过导体, 产生电位差 图 2-3: 电位差产生的电动机相对运动 把这个简单的原理应用于无刷直流电动机, 用户可以在悬浮的相线圈上发现感应电流 在 Before 和 After 中分别监视标记 A A, 可以识别感应电流及其方向 MCU-AN Z-11- 第 10 页

11 第 2 章背景介绍 电动机完整的旋转周期运用同样的分析, 下图显示了一个旋转周期中的电动机旋转机制 图 2-4: 周转中的电动机旋转机制 通过在悬浮的相线圈末端上检测感应电压的上升沿和下降沿, 可完成电子换相 这是无刷直流电动机无传感器控制的基本工作原理 MCU-AN Z-11 - 第 11 页

12 第 2 章背景介绍 反电势模型学习三相反电势模型有助于了解反电势在运行中的作用 图 2-5: 三相反电势模型 从上图我们发现, 悬浮相的端电压在零交叉点等于电源电压 VCC 的一半 因此, 比较相线圈末端的电压和 VCC/2, 可以识别零相交点的时间 但是因为 VCC 非常高, VCC/2 和线圈末端的电压被按比例缩小至一个适当的水平, 供给比较器 MCU-AN Z-11- 第 12 页

13 第 3 章硬件设计 3 硬件设计 本章描述了系统的硬件设计 3.1 系统结构图 下图是一个无传感器控制的无刷直流电动机系统的基本构成 MB95330 基本构成如下 : 图 3-1: 系统结构图 IGBT-IPM IGBT-IPM( 智能电源模块 ) 包括一个 IGBT 模型和一个信号驱动电路 它被连接到 MCU 输出端口和三相无刷直流电动机 位置信号调节电路该电路包括一个简单的分压器和一个隔离器 它从相线圈中捕获电势并与一个固定的电压作比较 通过隔离器, 它被连接至 MCU 输入端 MB95330 作为无传感器控制的核心,MB95330 接收位置信号调节电路的输出并通过隔离器驱动 IPM IPM 电源 IPM 可向上桥臂开关和下桥臂开关提供电流 主电源 提供稳定的高直流电压驾驶电动机或压缩机 MCU-AN Z-11 - 第 13 页

14 第 3 章硬件设计 3.2 位置信号调节电路 位置检测电路设计 位置信号调节电路是一个重要电路, 它必须非常精确以区分一些微伏信号 比较器 图 3-2: 位置检测解算器的电路设计 低偏移类型可提供更精确的位置检测计时 每一个输入的二极管保护电路用于避免过度的信号摆动 电阻温度变化时, 电阻应保持稳定 应该选用低误差类型, 精度至少为 1% 电阻器精度对无传感器控制至关重要 退藕电容器 相电压中的 PWM 噪声在供给 MCU 前应被退藕 因此, 每个比较器输入应固定于退藕电 容器中 MCU-AN Z-11- 第 14 页

15 第 3 章硬件设计 分压器 接线端的高电压应通过一个精心设计的分压电路按比例缩小 图 3-3: 三相反电势分压器电路 上图是一个分压器 具有特殊值的低误差电阻, 例如 :523Ω 和 2.26kΩ, 用于实现精确的分压器 精度对无传感器控制至关重要 精度不足的设计通常会导致启动不稳定 U V 和 W 被连接至一个三相终端 P 被连接至电源正极 470kΩ 2.26kΩ 和 523Ω 电阻用于产生 VCC/2 按比例缩小的值 MCU-AN Z-11 - 第 15 页

16 第 4 章固件原则和理论 4 固件原则和理论 本章介绍了固件操作的原则和理论 4.1 固件的主要流程图 转子停止时, 因为没有位置检测信号, 不能确定转子的位置 因此, 反电势测量不工作 图 4-1: 启动电机转子的流程图 进入正常运行状态前有以下两个阶段 无传感器启动转子转动的方向在短时间可能与期望的方向相反, 甚至可能导致无法启动 在这种情况下, 用户可执行强制启动 强制启动可通过很少的代码简单地实现, 非常适合控制无刷直流压缩机 如果压缩机启动不正常, 用户可使用重启功能重新启动 正常运行状态判断 这种判断算法保证压缩机完美运行, 适于进入正常运行状态 MCU-AN Z-11- 第 16 页

17 第 4 章固件原则和理论 4.2 无传感器启动 启动驱动模式 下图的驱动模式适用于无传感器启动 图 4-2: 用于无传感器启动的驱动模式 该模式容易实施, 且无传感器启动非常可靠 压缩机不需要重启即可顺利启动 A-B 是屏蔽时间, 期间 MCU 外部中断被禁用 B-A 期间 MCU 外部中断被启用 MCU-AN Z-11 - 第 17 页

18 第 4 章固件原则和理论 反电势过零检测无传感器启动中, 最初产生的反电势非常小 下图中捕获的波形显示了终端中的反电势以及按比例缩小的 VCC/2 水平 图 4-3: 反电势零交叉检测 当最小点有一个低于 E/2 的值时, 反电势过零点检测发生 MCU-AN Z-11- 第 18 页

19 4.2.3 启动算法以下简单算法用于启动阶段 BLDC 电动机反电势 120 驱动方式 V1.1 第 4 章固件原则和理论 图 4-4: 用于启动阶段的简单算法出现反电势过零中断时或预设定时器超时时换相 预设定时器值根据使用的压缩器的不同范围为 :50ms-200ms 转换到正常运行状态 监测状态变换大约为 个电子周期 如果时间偏差不大, 可视为压缩机顺利运行 MCU-AN Z-11 - 第 19 页

20 第 4 章固件原则和理论 4.3 从启动到正常运行的转换在运行中, 只需要考虑上一个电子周期的状态变换时间 图 4-5: 保证从启动到正常运行的电子周期的值 以下简单公式可用于保证这 6 个项目的值不超过最小的偏移值 Tmax < k * Tmin 其中,Tmin 和 Tmax 分别是这 6 个项目的最小值和最大值, k 为常数, 且 k 的范围是 5-10 MCU-AN Z-11- 第 20 页

21 第 4 章固件原则和理论 4.4 正常运行 驱动模式正常运行包括 12 种不同的驱动模式和 6 种不同状态 以下是驱动模式和位置检测电路中的中断之间的关系 标记解释 : A : 位置检测中断 B : 换相 C : 换臂 D : 使能位置检测中断 A : 下一个位置检测中断 A-B : 换相延迟 B-C : 换臂延迟 C-D : 换臂后的屏蔽时间 图 4-6: 正常运行的驱动模式 MCU-AN Z-11 - 第 21 页

22 第 4 章固件原则和理论 实时参数一些实时参数在正常运行状态中非常重要, 并在电动机操作中起关键作用 图 4-7: 电动机操作的驱动模式 换相延迟这是位置检测中断后的换相延迟 该参数取决于目标电动机的特征和当前旋转速度 0-30 电子角度为典型值 该参数通常用于在不同速度下提高效率和转矩 位置检测屏蔽 位置检测中断在换臂后被屏蔽, 因为在此阶段可能产生不必要的中断 位置检测准备完毕 从那时起, 位置检测中断被使能 MCU-AN Z-11- 第 22 页

23 第 4 章固件原则和理论 桥臂调制技术桥臂调制技术用于捕获反电势的上升沿和下降沿 本节介绍了如何用合适的桥臂捕获反电势的上升沿和下降沿 上升沿检测下桥臂调制将造成悬浮相的端电压超出基准水平, 并产生很多不需要的中断 MCU 输入中断在此时被屏蔽 上桥臂斩波只有在反电势过零时, 才会造成悬浮相的端电压超出基准水平 对于 MCU 来说, 它是一个非常重要的关键点 图 4-8: 反电势的上升沿检测波形 MCU-AN Z-11 - 第 23 页

24 第 4 章固件原则和理论 下降沿检测上桥臂调制将造成悬浮相的端电压超出基准水平, 并产生很多不需要的中断 MCU 输入中断在此时被屏蔽 下桥臂调制只有在反电势过零时, 才会造成悬浮相的端电压超出基准水平 对于 MCU 来说, 它是一个非常重要的关键点 图 4-9: 反电势的下降沿检测波形 MCU-AN Z-11- 第 24 页

25 第 5 章使用 EMF 驱动方式的注意事项 5 使用 EMF 驱动方式的注意事项 本章描述了使用 BLDC 电动机反电势 120 驱动方式的注意事项 5.1 驱动模式和位置检测的关系 驱动模式和位置检测电路中断的关系取决于 BLDC 电动机 因此用户应该首先明确其关系, 再在代码中设置寄存器 5.2 DTTI 输入控制操作在系统中, 应启用 DTTI 过电流保护 当低输入级位于 DTTI 引脚时, OPT0-OPT5 固定在静默状态 当输出被 DTTI 引脚输入固定在静默状态时, 定时器继续运行, 位置检测功能不停止 数据继续从输出数据缓冲寄存器 (OPDBR) 传送到输出数据寄存器 (OPDR) 产生波形 但是没有波形输出到 OPT5 -OPT0 引脚 5.3 无传感器控制的优缺点 无传感器控制的优点 BLDC 电动机反电势 120 驱动方式为无传感器控制 该系统的硬件设计没有位置传感器 它 能驱动有位置传感器或无位置传感器的 BLDC 电动机, 从而降低系统硬件设计的难度 无传感器控制的缺点 该系统没有位置检测器, 因此用户应计算反电势通过触发的位置检测找到电动机当前的位置 从而增加软件设计的操作和固件设计的难度 MCU-AN Z-11 - 第 25 页

26 第 6 章更多信息 6 更多信息 关于富士通半导体更多的产品信息, 请访问以下网站 : 英文版本地址 : 中文版本地址 : MCU-AN Z-11- 第 26 页

27 第 7 章附录 7 附录 图 2 1: 多脉冲发生器的结构图... 6 图 2 2: 多脉冲发生器的寄存器... 9 图 2 3: 电位差产生的电动机相对运动 图 2 4: 周转中的电动机旋转机制 图 2 5: 三相反电势模型 图 3 1: 系统结构图 图 3 2: 位置检测解算器的电路设计 图 3 3: 三相反电势分压器电路 图 4 1: 启动电机转子的流程图 图 4 2: 用于无传感器启动的驱动模式 图 4 3: 反电势零交叉检测 图 4 4: 用于启动阶段的简单算法 图 4 5: 保证从启动到正常运行的电子周期的值 图 4 6: 正常运行的驱动模式 图 4 7: 电动机操作的驱动模式 图 4 8: 反电势的上升沿检测波形 图 4 9: 反电势的下降沿检测波形 MCU-AN Z-11 - 第 27 页

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