引言

在家用電器、供暖、通風、空調(diào))和汽車應用中，DC無刷電機及其驅(qū)動器的使用率越來越高。造成這種現(xiàn)象的原因是其所擁有的高效、可靠、緊湊、低維護等級以及低噪聲等優(yōu)點，而這些都將轉(zhuǎn)化為成本的節(jié)省。

家用電器常常運用傳統(tǒng)技術(shù)，比如帶有起動電容的AC磁阻單相電機和通用式電機。所有這些解決方案采用AC供電方式，工作速度都是恒定不變的，而且并未關注效率。

如今，客戶所提出的要求越來越多，他們渴望擁有改良型功率分配方案、更加優(yōu)越的性能以及更低的噪聲電平：傳統(tǒng)技術(shù)的局限性正日益凸顯出來。

同時，市場競爭對能量-效率比提出了新的更高要求，用戶在挑選家用電器時，除了產(chǎn)品的價格之外，還會對其能耗等級和噪聲電平等特征加以比較。

圖1 永磁轉(zhuǎn)子和定子

基本原理

無刷DC電機的工作原理非常簡單。這種電機基于一個裝有永久磁鐵的轉(zhuǎn)子和一個安裝了三個相距120°的繞組的定子。三相逆變器按正確的順序來驅(qū)動繞組，并生成一個用于對轉(zhuǎn)子進行“磁推動”旋轉(zhuǎn)磁場。逆變器根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置在繞組的6個不同的時間段里發(fā)生極化。轉(zhuǎn)子的位置可采用位置傳感器或機械式開關以不同的方式讀出，也可以采用由轉(zhuǎn)子位置所產(chǎn)生的磁場來估計。后一種方法被稱為“反向EMF”。

顯然，虛擬傳感器具有多項優(yōu)點，即：免除了相關的費用，而且，與霍爾效應傳感器截然不同是，它不會破損。這就意味著可靠性和效率的提高以及重量和體積的減小。

但是，這種無傳感器型解決方案需要進行更加復雜的處理，以精確估測 轉(zhuǎn)子的位置，或?qū)@組的6個起動相位進行正確的驅(qū)動。

在每一轉(zhuǎn)的6相中，每次只對兩個繞組進行供電。第三個繞組(也是唯一未被施加偏壓的繞組)正是允許讀出由轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的電壓以及其位置的繞組。

控制完全依賴于使定子的驅(qū)動相位與讀出操作之間保持一個規(guī)定的恒定距離(用角度來表示)。

事實上，控制本身并沒有任何特殊的要求，但是設計師不得不面對源自高電流的噪聲問題。因此，必須對反向EMF讀出電平進行補償和濾波處理，以降低噪聲電平?？傊刂葡到y(tǒng)的效率依存于準確獲知轉(zhuǎn)子位置以及正確驅(qū)動繞組相位的能力。但是濾波器增加了一個取決于信號頻率和轉(zhuǎn)速的固有相移。

在濾波過程中，如果產(chǎn)生了一個與速度有關的相位誤差(隨后是一個非恒定誤差)，那么在啟動條件下將遭遇失敗。也就是說，將無法獲悉轉(zhuǎn)子的確切位置。

為了解決這一問題，可以采用針對不同轉(zhuǎn)速的相應濾波器，從而優(yōu)化相位誤差校正。通常，該解決方案需要巨大的處理能力，而這種處理能力只能由DSP或基于分立元件的可配置濾波器來提供。但是，這些濾波器需要使用大量的外部元件。

PSoC

為此，賽普拉斯推出的創(chuàng)新方案，并非基于傳統(tǒng)型微控制器，而是一款先進的可編程系統(tǒng)級芯片—PSoC(見圖1)，通過PSoC嵌入式基本組件、運算放大器和開關電容器，可以構(gòu)建所有必需的外設。用戶可根據(jù)自己的需要來選擇低通濾波器拓撲結(jié)構(gòu)如Butterworth、Bessel和Chebechev，這些濾波器的特點各不相同。

對于本文所討論的應用，低通Bessel濾波器提供了一個與交換值頻率成比例的相移：這使得對相移的影響盡可能地小，而它是與濾波信號關聯(lián)度最高的特性。

由于本文所涉及的應用的主要的目標是獲知轉(zhuǎn)子的位置。因此PSoC的第二個特性相當重要。低通Bessel濾波器的相移取決于信號的頻率，并在逐漸接近濾波器本身的交叉頻率時發(fā)生變化。在PSoC中，濾波器基于開關電容，因此，濾波器特性(主要是相移)可在濾波器的交叉頻率發(fā)生變化時保持恒定。這種解決方案是采用標準分立元件所無法實現(xiàn)的，而如果采用PSoC，這就轉(zhuǎn)化成了濾波器模擬塊上的一個簡單的開關頻率漂移。顯然，如果用戶把該頻率漂移與通過給定子相位供電來驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)磁場的頻率聯(lián)系起來，就能夠成功地解決這個問題：對反向EMF信號的讀出電平進行濾波，而且，濾波器的交叉頻率是隨著轉(zhuǎn)速而線性移動的，因此由于對于所有的速度，濾波操作的相移都是恒定的。

PSoC架構(gòu)的固有靈活性再次使得能夠?qū)Υ藛栴}進行詳細的分析，從而造就了一種理想的解決方案。該解決方案可在任何架構(gòu)約束條件下得以實現(xiàn)。