機械動力汽車系統正逐漸被採用電動電機技術的系統所取代。目前，有越來越多的半導體產品用在汽車中，部分原因是汽車系統開發人員期望利用電子電機控制滿足消費者對汽車更加安全有效的要求。

對於諸如燃油泵、水泵、冷卻風扇和步進電機等需要持續運轉的汽車應用，作為同步電機類產品的無刷直流（BLDC）電機是理想的選擇。BLDC在定位系統中配備了高可靠的啟動和停止功能。

此外，BLDC電機所提供的電子控制功能對法定車輛的要求具有決定性作用，包括節省能源，減少對環境的影響及設計出更安全的車輛。BLDC電機對空間侷促的燃油泵控制和電子助力轉向等變速應用也非常有用。在這類應用中，需要故障診斷和較寬的溫度和電壓工作範圍，因此電子控制也十分重要。

嵌入式處理器是汽車系統設計人員應對這些日益成長的需求和當今駕駛者需要的一個重要手段。採用更多電子控制解決方案，可使汽車系統設計人員既能滿足這些需求，同時也能開發出低雜訊、低成本、高精度的系統並儘快推出市場。

有眾多的嵌入式處理器解決方案可供各地的汽車系統設計人員採用。16位元數位信號控制器（DSC）就是其中一種單晶片的架構平臺，非常適用於BLDC電機控制。這種平臺集合了單晶片的控制功能以及數位信號處理器（DSP）的運算和處理能力。因此，DSC尤其擅長執行許多汽車電子系統所需的複雜、高速數學運算。

Microchip的dsPIC DSC可提供無縫的移植路徑和引腳對引腳的相容性，實現硬體和軟體元件的重複使用。16位元單晶片（MCU）與DSP結合，可提高汽車電子系統的性能，降低系統成本，使設計人員更快地將產品推向市場。

《圖一　 DSC單晶片和DSP領域的最佳選擇》

DSC主要技術要點

典型的DSC架構由一個中央處理單元（CPU）和一些適用於某些汽車BLDC應用的外設特性組成。針對電機控制應用的16位dsPIC DSC具有以下一些優點：

dsPIC DSC還提供中斷、看門狗計時器和即時仿真功能。這些組合特性使汽車系統開發人員能夠利用一種控制器來處理有關基於BLDC應用的電子控制難題。

增強型CPU功能

16位元DSC的特性之一是強大的運算能力。dsPIC30F和dsPIC33F等真正的DSC都包括兩個40位元累加器，可存儲16位元×16位元乘法運算的兩個獨立結果。這種DSC的大多數指令均可在一個指令週期內執行完成。

許多性能的信號處理演算法都涉及運算中的積求和計算。諸如乘加（MAC）的特殊指令能夠把兩個兩位元數位相乘，將結果加到累加器中，並預先從隨機記憶體（RAM）中提取一對資料值。而所有這些操作都是在一個單指令週期之內完成。利用這兩個累加器，在同一時刻可以用其中一個回寫資料，另一個來執行計算。

此外，與標準的MCU不同，當解釋資料是分數形式，而不是以整數形式的資料出現時，DSC能支援分數計算。

靈活的中斷結構

DSC架構可提供高度靈活性的中斷架構。通常，DSC支持單獨可選擇且具有優先順序的中斷源，這一屬性對任何包括多個感測器和執行器的應用來說是非常理想的。在這種情況下，中斷回應時間是極其準確的，使系統開發人員更容易地進行系統開發。

運作時的自編程（RTSP）

為了校準從感測器獲得的資料、換能器之間的差值和預先測得的偏移量，許多汽車應用需要事先存儲一些常量。許多DSC器件使用程式快閃記憶體和基於快閃記憶體的資料EEPROM，來實現對這些常量進行可靠且有效的存儲和訪問。在許多DSC中，系統開發人員都可以使用靈活而安全的快閃記憶體。

線上串列編程（In-Circuit Serial Programming；ICSP）

憑藉ICSP技術，快閃記憶體DSC能夠利用硬體進行升級。此外，ICSP可將同一個控制器用於多種不同的汽車子系統和工作環境，以最少的成本增強這些功能。

高解析度的模數轉換器（ADC）

選擇一個高速、高解析度的晶片上ADC對測量應用中所發生的變化非常重要。選擇合適的DSC時，應當考慮的重要因素之一是，晶片上ADC是否能同時進行不同採樣的測量。這樣可以同時測量同相的電機電壓和電流，以避免控制回路中出現錯誤。

高速的模數轉換速率好處很多。首先，可以大幅減少採樣回應時間，進而提高閉環性能。其次，高速轉換可以利用所有通道的高吞吐能力進行多通道採樣。另外，高轉換速率與DSC內核的DSP能力相結合，可以對摻雜雜訊的電機回饋信號進行採樣和濾波處理。

脈寬調製（PWM）

DSC支援自動生成指定波形和極性的PWM信號。某些DSC為這些基於PWM的演算法融合晶片上外設支援，簡化代碼開發，並可以多種方式提升整個系統的靈活性。

首先，多個PWM發生器可為BLDC電機的正弦波換相提供互補的輸出和自動死區時間插入。PWM模組還提供覆蓋控制以實現六步換相。在這種情況下，有許多不同的逆變方案，包括同步整流，可以控制電流流動，以確保最高的逆變效率。

此外，基於PWM的演算法可以利用故障引腳實現閉鎖或自動過流保護。而且，ADC可與PWM保持同步，實現對分流採樣電阻的電流測量。

正交編碼器介面（QEI）

要對汽車運行的各個方面進行有效的電子控制，精確而迅速地測量車輛以及機械部件的速度和位置是十分重要的。正交編碼器有利於進行這方面的測量，進而在各種電機控制應用中實現閉環控制。

控制器區域網路（CAN）

單晶片正朝著功能更多，執行速度更快的方向發展，它對汽車電子控制模組之間有效而可靠的相互通信至關重要。在未來的五到七年中，人們期待CAN匯流排將成為汽車網路化節點的首要標準。

為什麼DSC是電機控制應用的理想選擇？

DSC的CPU可支援一套DSP指令和定址模式，因此可實現快速而精確的算術和邏輯運算。許多DSC架構適用於以下一些控制動作：

《圖二　電機控制框圖》

BLDC電機概述

BLDC電機不直接採用直流（DC）電壓電源運行，也不使用電刷進行換相。實際上，BLDC電機由一個帶有永磁體的轉子和一個帶有繞組的定子組成，可進行電子換相。換相是在適當的時刻改變電機的相電流，以產生轉矩。有刷電機的換相是通過機械方式進行的，而BLDC電機則必須利用電子方式換相。

BLDC電機的定子是由迭加的矽鋼片與位於溝槽中的繞組組成的，定子和繞組沿著軸向分佈。簡而言之，定子與感應電機的繞組相似，而電機繞組可以用一種非分散式的形式進行配置。每個繞組都是由無數個小線圈構成的，這些小線圈位於溝槽中，並相互連接形成較大的繞組。每個繞組分佈在定子表面，形成偶數個磁極。定子繞組可以是梯形波，也可以是正弦波，每種波形產生不同的反電動勢（EMF）。相電流也有梯形波或正弦波等幾種。

所有轉子都有某種永磁體，極性可能有二到八對。製造轉子的磁性材料是根據所需的磁場密度來選擇的。鐵氧體磁鐵是傳統的用於製造永磁體的材料。然而，由於稀土合金磁鐵每個單位體積的磁密度更高，並使同樣轉矩的轉子體積更小，使稀土合金磁鐵的應用日漸普及。合金磁鐵可提高尺寸與重量比率，並可提供比由鐵氧體磁鐵構成的相同尺寸的電機更大的轉矩。對BLDC電機來說，需要有一種檢測轉子磁鐵位置的方法。

BLDC電機運轉快，無雜訊、高效率、耐用性高，所以普及率也在提升。而且，BLDC電機小巧的尺寸、可控制、低EMI和高可靠性也是其普及的原因。其小巧的尺寸是磁轉換效率提高所帶來的直接結果。

另外，與非BLDC電機相比，BLDC電機所提供的轉矩與電機尺寸的比值更大，使得BLDC電機適用於對空間和重量很敏感的應用。

BLDC電機可以設計成基於感測器的系統或無感測器的系統。無感測器BLDC電機系統可免去霍爾效應或光學感測器及其關聯電子元件的成本。如果轉子要在燃料、汽油或水等液態狀況下運轉，無感測器的運作也能令人滿意。在無感測器控制中，換相需要利用反電動勢（BEMF）的過零檢測。

DSC如何控制BLDC應用

嵌入式系統設計人員面臨的挑戰仍然是在保持靈活性的同時實現成本和性能目標。DSC可提供更低的系統成本，而且在那些需要高穩定性和增加可靠性的即時控制應用中發揮其特性。DSC帶來的其他系統優勢包括：

確定無感測器BLDC位置和速度的實現方法是反電動勢（BEMF）過零檢測法，如(圖三)所示。圖三顯示BLDC電機的三相電壓變化曲線。該電機的BEMF波形是位置和速度函數，由電阻分壓器和運算放大器決定。該系統檢測未通電相的BEMF為零的情況。

《圖三　反電動勢過零檢測法示意圖》

＜圖註：通過利用BLDC電機的電機引線，BEMF信號的過零條件出現在磁區0到5。每個磁區對應電週期中的某一段60度區域。在BEMF過零點之間有一個30度的偏移。＞

BEMF過零檢測系統適用於各種電機。為了便於設計，可以在設計中採用以Y型和三角型連接的三相電機理論。由於BEMF過零技術會搜尋信號經過門檻電壓上升和下降時的情況，因此這種方法不必在意電機製造時引起的容差變化。BEMF過零技術也可以與電壓或電流控制的電路一起工作。

然而，BEMF過零檢測方法的一個主要缺點是，電機必須至少以一定速度運轉才能產生足夠的BEMF；另一個缺點是在電機負載突然變化時，可能造成BEMF迴路失去鎖定。DSC的軟體演算法通常可以校正這個鎖定條件。

(圖四)顯示一個無感測器BLDC系統的硬體實例。在這個圖中，Microchip的dsPIC30F2010 DSC中的六通道PWM寄存器利用一個三相逆變器驅動BLDC。DSC的PWM部分產生多個同步輸出。PWM模組有三對PWM輸入/輸出（I/O）引腳，每對均有一個占空比發生器。PWM計數器的解析度可高達16位元，系統開發人員能夠隨時改變頻率。六個16 kHz的PWM輸出通道可驅動10位元ADC的四個輸入通道同時對與PWM模組同步的匯流排電流、匯流排電壓、目標速度及相電壓進行採樣，以及三個計時器。六通道PWM寄存器可驅動BLDC電機。

《圖四　無感測器BLDC電機控制電路的硬體框圖》

＜圖註：1個10位ADC用來監控BLDC電機的反電動勢。ADC的輸入AN3、AN4和AN5同時對BLDC電機的3條引線進行採樣，並對匯流排電壓進行測試。＞

一個10位元ADC用來對BLDC電機的反電動勢進行監控。ADC的輸入AN12、AN13和AN14，同時對BLDC電機的三條引線進行採樣，並對匯流排電壓進行測試。這個10位元ADC也可對BEMF進行測試，測出過零電壓（VDC）。另外，採用放大器/比較器網路的電流回饋電路連接到PWM故障保護引腳FLTA。如果發現PWM出現故障，電機就會關斷。採樣保持的輸出是逆變器的輸入，從而產生結果。元件的類比參考電壓可由軟體選擇為元件的電源電壓（AVDD/AVSS）或引腳（VREF+/VREF-）上的電壓電平。

在實現BEMF過零檢測時，電機速度可以通過軟體進行控制。超前的30度相位可擴大電機的運轉速度範圍。dsPIC DSC架構的高執行速度可滿足必要的計算量，而無需降低電機控制性能。

結語

隨著汽車電子技術的持續發展，在諸如液壓泵控制和電子助力轉向等高要求的應用中，越來越廣泛地採用電子控制的BLDC電機，因為高效和可靠是系統開發人員所關注的焦點。DSC對於這些新興的BLDC應用來說，是一種理想的嵌入式控制處理器。

系統開發人員對DSC架構的投入有著重大意義，因為DSC架構適合應對其面臨的特殊應用挑戰。在空間有限的應用中，單晶片DSC架構必須具有軟體相容性、強大的外設、快速中斷處理能力和執行計算密集的運算能力。幸運的是，今天的系統設計人員可以選擇各種DSC來創建高性能的汽車電子系統，同時最大程度地降低系統成本，加速產品的上市時間。

可以將DSC與由最主要的DSC供應商提供的各式的開發工具、應用程式庫、開發板和參考設計配合使用。所有這些工具使系統開發人員能夠以一種高效而適時的方式實現他們的設計。（作者為Microchip汽車產品部汽車市場總監）

＜參考資料：

[1]《使用dsPIC30F2010控制無感測器BLDC電機》，Microchip Technology Inc.，Stan D'Souza，AN992，Microchip，www.microchip.com/dsPICforBLDCmotor

[2]“Variable Speed Brushless DC Motor”Microchip Technology Inc.，Microchip線上電機控制設計中心，www.microchip.com/BLDCmotor＞