上海東軟載波微電子始終致力于為市場(chǎng)提供可靠性高的工業(yè)級(jí)MCU芯片，在拓展至電機(jī)控制領(lǐng)域推出了ES32M0150——入門款32位電機(jī)控制SoC芯片，具有資源緊湊，性價(jià)比高的特點(diǎn)，適合中低端電機(jī)控制應(yīng)用。

1. 芯片簡(jiǎn)介

ES32M0150是采用ARM 32位Cortex-M0內(nèi)核的微控制器，具有64KB FLASH和4KB SRAM。1路高級(jí)定時(shí)器AD16C4T，3路通用定時(shí)器GP16C2T，1路基本定時(shí)器BS16T。多達(dá)17個(gè)I/O，1路12Bit ADC(850KSPS)，2路模擬比較器ACMP。2路USART， 2路I2C，1路SPI。

ES32M0150內(nèi)含專門用于200V 6N-MOSFET的三相柵極驅(qū)動(dòng)器HVG以及5V LDO，特別適合于電池供電的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。具有死區(qū)時(shí)間以及防止功率器件直通短路保護(hù)功能。

ES32M0150主要用于無感BLDC、有感FOC電機(jī)應(yīng)用，例如電動(dòng)工具、園林工具、電動(dòng)平衡車、水泵和風(fēng)機(jī)等電機(jī)控制領(lǐng)域。

2. 電動(dòng)扳手方案

2. 1 概述

電源

? 18V 鋰電池供電

電機(jī)

? 無感BLDC方波控制

特點(diǎn)

? 六步換相控制

? 啟動(dòng)力矩大

? 初始位置檢測(cè)

? BEMF過零點(diǎn)檢測(cè)

? 速度閉環(huán)控制

? 多級(jí)硬件剎車保護(hù)電流

? 集成預(yù)驅(qū)可靠性高

功能

? 軟啟動(dòng)

? LED 照明

? 手柄開關(guān)啟動(dòng)和自停

? 支持調(diào)速開關(guān)

? 正反轉(zhuǎn)控制

? 過流保護(hù)

? MOS 管過溫保護(hù)

? 電池欠壓保護(hù)

? 電量指示

? 故障報(bào)警指示

2. 2 電動(dòng)扳手原理框圖

2. 3 六步換相 

PWM控制方式(H-PWM-L-ON)

? 上橋臂PWM調(diào)制導(dǎo)通

? 下橋臂高電平導(dǎo)通

2. 4 信號(hào)采樣

PWM & ADC

? 四路高級(jí)定時(shí)器，均可工作在PWM中心對(duì)齊模式，其中三路定時(shí)器控制電機(jī)三相驅(qū)動(dòng)，第四路的PWM比較匹配事件可靈活設(shè)置在三相PWM“ON”狀態(tài)的任意位置，第四路的PWM的比較匹配中斷作為外設(shè)互聯(lián)PIS的輸入信號(hào)，由PIS自動(dòng)觸發(fā)插入組ADC轉(zhuǎn)換檢測(cè)斷開相的反電動(dòng)勢(shì)。

? 采用PIS觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換的方式，ADC工作速度能做到850KSPS，占空比相對(duì)較小時(shí)也能滿足PWM“ON"區(qū)間采樣，能滿足一般低速要求的場(chǎng)合，適合大多數(shù)電動(dòng)工具的應(yīng)用。

? 消磁事件，換相后延時(shí)15°電角度再進(jìn)行PWM周期采樣，規(guī)避線圈產(chǎn)生的尖峰脈沖。

反電動(dòng)勢(shì)判斷過零

? 通過檢測(cè)各相反電動(dòng)勢(shì)的過零點(diǎn)，就可以獲得轉(zhuǎn)子的幾個(gè)關(guān)鍵位置來實(shí)現(xiàn)無霍爾傳感器的直流無刷電機(jī)換相控制。

? 只要在每個(gè)60°內(nèi)檢測(cè)不通電那一相的電壓，即可檢測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)。

? 兩個(gè)換相點(diǎn)的中間都對(duì)應(yīng)一個(gè)反電動(dòng)勢(shì)的極性改變的點(diǎn)，即反電動(dòng)勢(shì)從正變化為負(fù)或者從負(fù)變化為正的點(diǎn)，稱為過零點(diǎn)。

? 利用反電動(dòng)勢(shì)的這個(gè)特性，只要我們能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出反電動(dòng)勢(shì)的過零點(diǎn)，將其延遲30°，即為需要換相的時(shí)刻。

建立閉環(huán)調(diào)速

? 每一相的反電動(dòng)勢(shì)都有兩種過零情況：從正變?yōu)樨?fù)和從負(fù)變?yōu)檎?。三相共有六種過零情況，對(duì)應(yīng)六種換相狀態(tài)，這種對(duì)應(yīng)關(guān)系固定不變。

? 換相順序做成表，程序每檢測(cè)到一個(gè)過零點(diǎn)，就通過查表來決定相應(yīng)的PWM和IO輸出，控制下一步哪兩相通電。

? 插入組ADC檢測(cè)切換到當(dāng)前的斷開相繼續(xù)檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)，如此循環(huán)，直至建立穩(wěn)定的閉環(huán)。

? 過零點(diǎn)超前換相點(diǎn)30°電角度，因此在檢測(cè)到過零點(diǎn)后，要先延遲30°電角度再換相。而相鄰兩個(gè)過零點(diǎn)之間的時(shí)間間隔是60°電角度， 通過測(cè)量的兩個(gè)過零點(diǎn)的時(shí)間間隔， 就可以計(jì)算出換相時(shí)間。

? 當(dāng)閉環(huán)建立后， 通過軟件濾波，電機(jī)的轉(zhuǎn)速是漸變的，相鄰兩個(gè)換相周期的時(shí)間相差不會(huì)很大。

? 進(jìn)入閉環(huán)后，通過改變PWM的占空比即可調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，占空比越大轉(zhuǎn)速越高。

初始位置檢測(cè)

? BLDC電機(jī)的起動(dòng)方式是控制難點(diǎn)。由于電機(jī)繞組的反電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)速正相關(guān)，當(dāng)轉(zhuǎn)速很低時(shí)，BEMF也非常小以致很難準(zhǔn)確檢測(cè)，本方案電機(jī)采用高頻注入法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子初始位置定位，以給定速度啟動(dòng)。

? 工作原理：對(duì)處于永磁體磁場(chǎng)中的線圈施加一個(gè)電壓，根據(jù)磁場(chǎng)方向的不同，產(chǎn)生的電流會(huì)增強(qiáng)或削弱磁場(chǎng)的強(qiáng)度，從而使線圈電感減小或增大。

? 實(shí)現(xiàn)方法：先將某一相繞組連接到高電平，另外兩相接地，這時(shí)產(chǎn)生的定子磁場(chǎng)方向如圖所示。然后將接地的兩相繞組改接到高電平，原來接高電平的繞組接地，產(chǎn)生一個(gè)方向相反的磁場(chǎng)。兩種情況的通電時(shí)間都很短，轉(zhuǎn)子并不轉(zhuǎn)動(dòng)，繞組中產(chǎn)生一個(gè)電流脈沖。比較這兩種情況下電流脈衝的大小，即可比較出兩次繞組電感的大小，從而可把轉(zhuǎn)子定位在180°的范圍內(nèi)。然后換一相電機(jī)繞組重復(fù)剛才的過程，把轉(zhuǎn)子定位在另外180°的范圍內(nèi)。三相繞組各進(jìn)行一次檢測(cè)，三個(gè)范圍的重合處，即可確定轉(zhuǎn)子所在的60°范圍。

? 由于這種方法每次繞組通電的時(shí)間都很短，因此不會(huì)擔(dān)心過流的問題。另外由于不會(huì)改變轉(zhuǎn)子位置，在轉(zhuǎn)子運(yùn)行的間隙中也可以用這種方法來檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置。

2. 5 總結(jié)

ES32M0150是上海東軟載波微電子推出的一款專用電機(jī)控制芯片，集成三相柵極驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)MOSFET。芯片性價(jià)比高，用戶可以進(jìn)一步降低BOM成本，減小PCBA面積。內(nèi)置兩個(gè)模擬比較器，可靈活實(shí)現(xiàn)比較器過零檢測(cè)和硬件過流保護(hù)。注入組高速ADC滿足大多數(shù)低速電機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合。

我司為客戶提供無感BLDC電動(dòng)工具開發(fā)套件，通過靈活的參數(shù)配置，用戶可快速導(dǎo)入產(chǎn)品，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。

參考設(shè)計(jì)板