机械动力汽车系统正逐渐被采用电动电机技术的系统所取代。目前，有越来越多的半导体产品用在汽车中，部分原因是汽车系统开发人员期望利用电子电机控制满足消费者对汽车更加安全有效的要求。

对于诸如燃油泵、水泵、冷却风扇和步进电机等需要持续运转的汽车应用，作为同步电机类产品的无刷直流（BLDC）电机是理想的选择。BLDC在定位系统中配备了高可靠的启动和停止功能。

此外，BLDC电机所提供的电子控制功能对法定车辆的要求具有决定性作用，包括节省能源，减少对环境的影响及设计出更安全的车辆。BLDC电机对空间局促的燃油泵控制和电子助力转向等变速应用也非常有用。在这类应用中，需要故障诊断和较宽的温度和电压工作范围，因此电子控制也十分重要。

嵌入式处理器是汽车系统设计人员应对这些日益成长的需求和当今驾驶者需要的一个重要手段。采用更多电子控制解决方案，可使汽车系统设计人员既能满足这些需求，同时也能开发出低噪声、低成本、高精度的系统并尽快推出市场。

有众多的嵌入式处理器解决方案可供各地的汽车系统设计人员采用。16位数字信号控制器（DSC）就是其中一种单芯片的架构平台，非常适用于BLDC电机控制。这种平台集合了单芯片的控制功能以及数字信号处理器（DSP）的运算和处理能力。因此，DSC尤其擅长执行许多汽车电子系统所需的复杂、高速数学运算。

Microchip的dsPIC DSC可提供无缝的移植路径和引脚对引脚的兼容性，实现硬件和软件组件的重复使用。16位单芯片（MCU）与DSP结合，可提高汽车电子系统的性能，降低系统成本，使设计人员更快地将产品推向市场。

《图一 DSC单芯片和DSP领域的最佳选择》

DSC主要技术要点

典型的DSC架构由一个中央处理单元（CPU）和一些适用于某些汽车BLDC应用的外设特性组成。针对电机控制应用的16位dsPIC DSC具有以下一些优点：

dsPIC DSC还提供中断、看门狗定时器和实时仿真功能。这些组合特性使汽车系统开发人员能够利用一种控制器来处理有关基于BLDC应用的电子控制难题。

增强型CPU功能

16位DSC的特性之一是强大的运算能力。dsPIC30F和dsPIC33F等真正的DSC都包括两个40位累加器，可存储16位×16位乘法运算的两个独立结果。这种DSC的大多数指令均可在一个指令周期内执行完成。

许多性能的信号处理算法都涉及运算中的积求和计算。诸如乘加（MAC）的特殊指令能够把两个两位数字相乘，将结果加到累加器中，并预先从随机内存（RAM）中提取一对数据值。而所有这些操作都是在一个单指令周期之内完成。利用这两个累加器，在同一时刻可以用其中一个回写数据，另一个来执行计算。

此外，与标准的MCU不同，当解释数据是分数形式，而不是以整数形式的数据出现时，DSC能支持分数计算。

灵活的中断结构

DSC架构可提供高度灵活性的中断架构。通常，DSC支持单独可选择且具有优先级的中断源，这一属性对任何包括多个传感器和执行器的应用来说是非常理想的。在这种情况下，中断响应时间是极其准确的，使系统开发人员更容易地进行系统开发。

运作时的自编程（RTSP）

为了校准从传感器获得的数据、换能器之间的差值和预先测得的偏移量，许多汽车应用需要事先存储一些常量。许多DSC器件使用程序闪存和基于闪存的数据EEPROM，来实现对这些常量进行可靠且有效的存储和访问。在许多DSC中，系统开发人员都可以使用灵活而安全的闪存。

在线串行编程（In-Circuit Serial Programming；ICSP）

凭借ICSP技术，闪存DSC能够利用硬件进行升级。此外，ICSP可将同一个控制器用于多种不同的汽车子系统和工作环境，以最少的成本增强这些功能。

高分辨率的模数转换器（ADC）

选择一个高速、高分辨率的芯片上ADC对测量应用中所发生的变化非常重要。选择合适的DSC时，应当考虑的重要因素之一是，芯片上ADC是否能同时进行不同采样的测量。这样可以同时测量同相的电机电压和电流，以避免控制回路中出现错误。

高速的模数转换速率好处很多。首先，可以大幅减少采样响应时间，进而提高死循环性能。其次，高速转换可以利用所有信道的高吞吐能力进行多信道采样。另外，高转换速率与DSC内核的DSP能力相结合，可以对掺杂噪声的电机回馈信号进行采样和滤波处理。

脉宽调制（PWM）

DSC支持自动生成指定波形和极性的PWM信号。某些DSC为这些基于PWM的算法融合芯片上外设支持，简化代码开发，并可以多种方式提升整个系统的灵活性。

首先，多个PWM发生器可为BLDC电机的正弦波换相提供互补的输出和自动死区时间插入。PWM模块还提供覆盖控制以实现六步换相。在这种情况下，有许多不同的逆变方案，包括同步整流，可以控制电流流动，以确保最高的逆变效率。

此外，基于PWM的算法可以利用故障引脚实现闭锁或自动过流保护。而且，ADC可与PWM保持同步，实现对分流采样电阻的电流测量。

正交编码器接口（QEI）

要对汽车运行的各个方面进行有效的电子控制，精确而迅速地测量车辆以及机械部件的速度和位置是十分重要的。正交编码器有利于进行这方面的测量，进而在各种电机控制应用中实现死循环控制。

控制器局域网络（CAN）

单芯片正朝着功能更多，执行速度更快的方向发展，它对汽车电子控制模块之间有效而可靠的相互通信至关重要。在未来的五到七年中，人们期待CAN总线将成为汽车网络化节点的首要标准。

为什么DSC是电机控制应用的理想选择？

DSC的CPU可支持一套DSP指令和寻址模式，因此可实现快速而精确的算术和逻辑运算。许多DSC架构适用于以下一些控制动作：

《图二 电机控制框图》

BLDC电机概述

BLDC电机不直接采用直流（DC）电压电源运行，也不使用电刷进行换相。实际上，BLDC电机由一个带有永磁体的转子和一个带有绕组的定子组成，可进行电子换相。换相是在适当的时刻改变电机的相电流，以产生转矩。有刷电机的换相是通过机械方式进行的，而BLDC电机则必须利用电子方式换相。

BLDC电机的定子是由迭加的硅钢片与位于沟槽中的绕组组成的，定子和绕组沿着轴向分布。简而言之，定子与感应电机的绕组相似，而电机绕组可以用一种非分布式的形式进行配置。每个绕组都是由无数个小线圈构成的，这些小线圈位于沟槽中，并相互连接形成较大的绕组。每个绕组分布在定子表面，形成偶数个磁极。定子绕组可以是梯形波，也可以是正弦波，每种波形产生不同的反电动势（EMF）。相电流也有梯形波或正弦波等几种。

所有转子都有某种永磁体，极性可能有二到八对。制造转子的磁性材料是根据所需的磁场密度来选择的。铁氧体磁铁是传统的用于制造永磁体的材料。然而，由于稀土合金磁铁每个单位体积的磁密度更高，并使同样转矩的转子体积更小，使稀土合金磁铁的应用日渐普及。合金磁铁可提高尺寸与重量比率，并可提供比由铁氧体磁铁构成的相同尺寸的电机更大的转矩。对BLDC电机来说，需要有一种检测转子磁铁位置的方法。

BLDC电机运转快，无噪声、高效率、耐用性高，所以普及率也在提升。而且，BLDC电机小巧的尺寸、可控制、低EMI和高可靠性也是其普及的原因。其小巧的尺寸是磁转换效率提高所带来的直接结果。

另外，与非BLDC电机相比，BLDC电机所提供的转矩与电机尺寸的比值更大，使得BLDC电机适用于对空间和重量很敏感的应用。

BLDC电机可以设计成基于传感器的系统或无传感器的系统。无传感器BLDC电机系统可免去霍尔效应或光学传感器及其关联电子组件的成本。如果转子要在燃料、汽油或水等液态状况下运转，无传感器的运作也能令人满意。在无传感器控制中，换相需要利用反电动势（BEMF）的过零检测。

DSC如何控制BLDC应用

嵌入式系统设计人员面临的挑战仍然是在保持灵活性的同时实现成本和性能目标。DSC可提供更低的系统成本，而且在那些需要高稳定性和增加可靠性的实时控制应用中发挥其特性。DSC带来的其他系统优势包括：

确定无传感器BLDC位置和速度的实现方法是反电动势（BEMF）过零检测法，如(图三)所示。图三显示BLDC电机的三相电压变化曲线。该电机的BEMF波形是位置和速度函数，由电阻分压器和运算放大器决定。该系统检测未通电相的BEMF为零的情况。

《图三 反电动势过零检测法示意图》

＜图注：通过利用BLDC电机的电机引线，BEMF信号的过零条件出现在扇区0到5。每个扇区对应电周期中的某一段60度区域。在BEMF过零点之间有一个30度的偏移。＞

BEMF过零检测系统适用于各种电机。为了便于设计，可以在设计中采用以Y型和三角型连接的三相电机理论。由于BEMF过零技术会搜寻信号经过门坎电压上升和下降时的情况，因此这种方法不必在意电机制造时引起的容差变化。BEMF过零技术也可以与电压或电流控制的电路一起工作。

然而，BEMF过零检测方法的一个主要缺点是，电机必须至少以一定速度运转才能产生足够的BEMF；另一个缺点是在电机负载突然变化时，可能造成BEMF回路失去锁定。DSC的软件算法通常可以校正这个锁定条件。

(图四)显示一个无传感器BLDC系统的硬件实例。在这个图中，Microchip的dsPIC30F2010 DSC中的六信道PWM寄存器利用一个三相逆变器驱动BLDC。DSC的PWM部分产生多个同步输出。PWM模块有三对PWM输入/输出（I/O）引脚，每对均有一个占空比发生器。PWM计数器的分辨率可高达16位，系统开发人员能够随时改变频率。六个16 kHz的PWM输出信道可驱动10位ADC的四个输入信道同时对与PWM模块同步的总线电流、总线电压、目标速度及相电压进行采样，以及三个定时器。六信道PWM寄存器可驱动BLDC电机。

《图四 无传感器BLDC电机控制电路的硬件框图》

＜图注：1个10位ADC用来监控BLDC电机的反电动势。ADC的输入AN3、AN4和AN5同时对BLDC电机的3条引线进行采样，并对总线电压进行测试。＞

一个10位ADC用来对BLDC电机的反电动势进行监控。ADC的输入AN12、AN13和AN14，同时对BLDC电机的三条引线进行采样，并对总线电压进行测试。这个10位ADC也可对BEMF进行测试，测出过零电压（VDC）。另外，采用放大器/比较器网络的电流回馈电路连接到PWM故障保护引脚FLTA。如果发现PWM出现故障，电机就会关断。采样保持的输出是逆变器的输入，从而产生结果。组件的模拟参考电压可由软件选择为组件的电源电压（AVDD/AVSS）或引脚（VREF+/VREF-）上的电压电平。

在实现BEMF过零检测时，电机速度可以通过软件进行控制。超前的30度相位可扩大电机的运转速度范围。dsPIC DSC架构的高执行速度可满足必要的计算量，而无需降低电机控制性能。

结语

随着汽车电子技术的持续发展，在诸如液压泵控制和电子助力转向等高要求的应用中，越来越广泛地采用电子控制的BLDC电机，因为高效和可靠是系统开发人员所关注的焦点。DSC对于这些新兴的BLDC应用来说，是一种理想的嵌入式控制处理器。

在实现BEMF过零检测时，电机速度可以通过软件进行控制。超前的30度相位可扩大电机的运转速度范围。dsPIC DSC架构的高执行速度可满足必要的计算量，而无需降低电机控制性能。

可以将DSC与由最主要的DSC供货商提供的各式的开发工具、应用链接库、开发板和参考设计配合使用。所有这些工具使系统开发人员能够以一种高效而适时的方式实现他们的设计。（作者为Microchip汽车产品部汽车市场总监）

＜参考数据：

可以将DSC与由最主要的DSC供货商提供的各式的开发工具、应用链接库、开发板和参考设计配合使用。所有这些工具使系统开发人员能够以一种高效而适时的方式实现他们的设计。（作者为Microchip汽车产品部汽车市场总监）

[1]《使用dsPIC30F2010控制无传感器BLDC电机》，Microchip Technology Inc.，Stan D'Souza，AN992，Microchip，www.microchip.com/dsPICforBLDCmotor