采用霍尔效应传感器的三相无刷直流马达驱动器

应用手册 AN2170

采用霍尔效应传感器的三相无刷直流马达驱动器

作者：Andrey Magarita

相关项目：是

相关部件系列：CY8C27xxx PSoC Designer版本：4.1

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摘要

本应用手册说明如何使用PSoC来控制采用霍尔效应传感器的三相无刷直流(BLDC)马达。

TM

前言

三相BLDC马达广泛应用于先进的电子设备，如：硬盘驱动器、软驱、光驱及其他消费类设备和工业设备。《小型电动马达手册》介绍了马达的工作原理，概述

[1]

图2说明马达的运行状况。转子每旋转半圈就通过了6个相位，因此转子每经过一个相位就旋转了30°。马达控制采用3个双极、120°相移电压电源。这些电压可以是真正的正弦曲线，也可以是正弦波信号的逐步逼近（step approximation）。

图2b以符号方式说明定子线圈。本应用手册中的线圈绕组方法与图2b所示不同。不过，磁场产生方法与图2a相同。线圈前面的减号表示线圈的绕线方向与未标识减号的部分相反。请注意：磁场构成的线圈并不均匀。它们在磁极中心具有最高电压，磁极中心的电平大约比磁极边缘高出2倍。

如下。

BLDC马达具有与机械换向马达类似的直线速度转矩曲线。在BLDC马达中，磁铁旋转，而载流线圈静止不动。电子开关控制电流方向。由转子位置传感器确定开关的时序。图1说明了BLDC马达的内部结构，其由一个多极永磁转子与一个带有采用三角形或星形连接的多线圈定子组成。

可以采用多种方法获取转子位置信息。可行的方法包括无传感器技术，如：后电磁力感应；以及传感器技术，如：光编码器与磁场传感器（电感器传感器或者基于霍尔效应传感器）。

本手册介绍采用霍尔传感器的BLDC马达驱动器。表1列出了驱动器参数。

三相开关电压构成旋转磁场。图2说明了每个相位转换事件之后的定子磁场。6个事件（事件1至事件6）标识相位转换时刻。此图说明由弧形箭头标识的顺时针旋转。为了逆时针旋转转子，采用相反的相位转换顺序，通过改变任何2个马达线圈的转换顺序即可实现。另外还应当颠倒霍尔传感器的轮询顺序。

图2采用以下符号：H1至H3表示霍尔传感器输出信号；Wph、Vph、Uph 表示相位W、V、U的驱动电压；WUph、VWph、UVph 则表示相位 W与U、V与W以及U与V之间的电压。

图1：BLDC马达内部外层转子模型

图2：BLDC线圈相位电压转换(a)和转子旋转相位(b)

驱动器实施

以PSoC器件为基础实施BLDC马达驱动器。PSoC器件提供的模拟性能可以显著减少外部组件数量。表1列出了驱动器参数。

表1：驱动器参数 马达 相位 极数 电源 功耗 转速

3 英寸软驱、12V电源 3 4 12V DC 350 mA 60～1200 rpm

采用单个按钮改变旋转方向；

操作选项 采用2个按钮改变转速；

速度或驱动转矩稳定模式。

图3说明驱动器流程图。多路复用器MUX1处理来自具有差分输出的3个霍尔传感器的信号，仪表放大器INA隔离差分信号。请注意：为了尽可能降低成本，本设计采用了具有差分输出、不配备任何内部后处理硬件的霍尔传感器。

使用多路复用器MUX2可以逆变差分放大器输出，然后再利用比较器COMP将输出与参考信号进行对比。比较器生成中断信号，CPU内核使用该信号估计转子位置。CPU内核控制三通道PWM生成器，而后者通过线圈驱动器驱动绕组马达。采用间隔定时器测量转速并且根据测量／要求的转速调整绕组驱动电流。整个信号处理通道在PSoC内部实施；只有线圈驱动器在外部实施。

图3：BLDC马达驱动器流程图

驱动器原理图

图4为驱动器原理图。驱动器由1个PSoC（U1）、1个模式开关（SW1）、4个按钮（SW2-SW5）、1个电平转换器（U2）、3个四线霍尔传感器（E1-E3）和1个线性调节器（U3）组成。

图4：马达驱动器原理图

驱动器运行情况

图5说明PSoC用户模块的布置。PSoC模拟模块用于构建传感器的信号处理部分以及确定转子相位位置。信号处理部分由以下组件构成：

o 配备差分多路复用器的仪表放大器，用于

传感器信号电平转换与放大。

o 用于信号整流的增益符号转换级（gain

sign invert stage）。

o 用于转子相位转换中断生成的比较器。

比较器的信号处理确定当前马达转子相位。

PSoC数字模块用于构建具有可变输入频率的3个8位PWM定时器（一个附加的8位预分频器用于生产PWM模块的时钟信号）。16位定时器用于测量马达的转速。相邻PWM定时器输出信号之间的相移为120°。表2列出了不同相位的PWM定时器输出。

图5：PSoC内部用户模块布局 表2：驱动器PWM相位信号

输出 U V W U-V V-W W-U U V W U-V V-W W-U

相位1 H L M 2A -A -A H M L A A -2A

相位2 H M L A A -2A H L M 2A -A -A

相位3M H L -A 2A -A M L H A -2A A

相位4L H M -2A A A L M H -A -A 2A

相位5L M H -A -A 2A L H M -2A A A

相位6 M L H A -2A A M H L -A 2A -A

顺时针旋转

反时针旋转

U、V及W是PWM定时器相位输出。U-V、V-W和W-U是马达绕组电平。L表示最低PWM值。H表示最高PWM值。M则表示PWM电平中间值。A（代表平均值）＝H-M = M-L或者马达绕组最高PWM值的一半。表2和图6a说明PWM输出信号在马达绕组上分配3个容许电压电平的组合。上述电平如图6b所示。从表2可以看出存在6个可能的旋转相位（状态）和6个对应的PWM驱动器状态。

信号曲线可以看作三角信号的2位近似值。PWM定时器作为单次触发器件运行。单次触发重新运行在软件中实现，由马达转子相位事件触发。无刷直流马达的转速取决于马达的构造，即PWM定时器输出信号的占空比以及电流负载值。

通过标准反向驱动方法以及等待2个马达绕组的相位顺序可以改变旋转方向。通过转换PSoC的内部硬件总线，用户可以改变相位驱动顺序。请注意：只可以在固件中改变等待指令的相位。

传感器信号处理器产生的中断是主循环程序的基础。如果在预定义超时期间没有产生中断，则强制开始启动马达的周期。然后相位从停止状态或者马达过载之后启动转子旋转。在从转子传感器信号处理器收到定期中断信号时相位转换恢复正常方法。因此，在收到旋转传感器信号时转换相位驱动信号，同时重新加载PWM定时器。

图6：PWM相位信号(a)和马达绕组电压(b)

驱动器使驱动转矩或转速稳定下来，以实现稳定的马达运行。利用DIP开关设置需求模式，只有马达重新起动后才启用新模式。在选择转矩稳定模式时，通过PWM时钟频率调节、在不改变PWM比较值情况下稳定占空比。只有分别使用“加速”或“减速”按钮提高或者降低复位速度情况下才调整此模式下的比较值。根据间隔计数器的测量结果完成校正。此计数器以PWM时钟频率为单位测量每个相位的持续时间。4个控制按钮用于起动或者停止马达以及调节转速或转矩。速度稳定模式下提供20个档位，转矩稳定模式下提供14个档位。

在选择转速稳定模式时，PWM时钟频率为固定频率，但是PWM比较值随间隔计数器的测量数据变化而变化。两种模式下都采用配有一阶输入IIR滤波器的比例调节器。由于当前实施方案具有较低的CPU开销，因此可以在固件中轻松实现更高级的调节器类型（如：PID）。PWM时钟分割器值N和PWM定时器周期N

cd

pwm

决定调节器的理想每分钟转速（RPM）：

F

vc1

是VC1时钟频率。N

pwm

是PWM定时器周期。N是

d

PWM时钟分割器系数。

利用速度系数K

结论

、通过下式可以计算定时器PWM 本应用手册介绍PSoC在无刷直流马达控制方面的应speed

H、M和L电平：

可以使用“加速”和“减速”按钮设置速度系数。

用。文中的设计修改后可以用于其他的转子位置传感

技术，如：正交解码器和基于电感的位置传感器。通过更换线圈驱动器可以升级驱动器，使其支持具有不同电源电平的马达。

参考文献 1. 2001年由William H. Yeadon、Alan W. Yeadon以及McGraw-Hill共同编写的《小型电动马达手册》。

附件A：软件流程图

图7：主循环流程图

图8：传感器比较器中断流程图

附件B：驱动器照片

图9：马达驱动器组装板(a)、转子背面(b)、线圈和霍尔传感器(c)

作者简介

姓名：Andrey Magarita 职称：高级应用工程师

工作背景：Andrey具有超过15年的嵌入式系统设计经验。 联系方法：makar@ltf.lviv.net.

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