电动自行车作为一种环保的交通工具已得到了广泛使用。直流无刷电机及控制器是电动自行车中的关键部件，其性能决定了整个系统的电能转换效率。控制器根据霍尔传感器输出信号，驱动3相全桥电路，实现对直流无刷电机的控制，因此霍尔信号的准确性及换相的实时性会直接影响电机的性能。在现有电动自行车控制器方案中，霍尔传感器信号的采集均采用软件扫描形式进行，换相操作也通过软件处理，换相误差大，实时性差，尤其对中高速电机更为明显。而英飞凌公司的XC866/846可以支持硬件霍尔信号采集、换相操作，且无需额外电路即可实现同步整流控制，单片机利用率高，电机控制性能好。

直流无刷电机控制

传统的直流无刷电机采用梯形波驱动方式，系统结构框图如图1a所示，MCU根据三个霍尔传感器信号调制PWM输出，PWM驱动波形如图1b所示。由于在这种控制方式下，电机端电压波形为梯形波，因此也称为梯形波控制。从图1中可以看出，PWM输出存在6种状态，对于每种状态，逆变桥的6个功率管中仅有2个工作，例如，当状态等于5时，CC60和COUT62对应通道开通。


图1：直流无刷电机控制拓扑结构及PWM驱动信号波形。

在PWM开通和关断期间，逆变桥内的电流如图2所示(以状态5为例)。当PWM开通时，电流经过M1，经过电机及M6返回电源。当PWM关闭时，续流电流经由D2(M2中的寄生二极管)、电机相线和M6返回电源。由于二极管D2的导通压降为0.6～1V左右，因此续流电流在这个二极管上会产生较大的损耗，当电机负载大、续流电流大的时候，损耗问题更加严重，将影响逆变器效率。



图2：简单梯形波控制中的电流示意图。

为减少续流电流在寄生二极管上产生的损耗，在一些应用中使用MOSFET作为逆变元件。由于MOFSET具有导通阻抗低、电流可以双向流动的特点，在M1关断，进入续流阶段时，开通M2，使续流电流流经M2，由于MOSFET的导通阻抗极低，损耗很小，例如当续流电流为10A，MOSFET导通电阻10mΩ，二极管D2压降0.7v时，若续流电流流经D2时产生损耗为7W，而流经MOSFET时产生损耗仅为1W，因此使用这种控制方式可以减少损耗，提高逆变器的效率，在续流电流大的情况下效果更加明显。这种控制方式亦称为同步整流，电流示意图如图3a。由于MOSFET的上、下管需要交替开通，为避免直通的危险，需要添加死区时间。采用同步整流控制时，6路PWM的驱动波形如图3b所示。



图3：同步整流控制中的PWM驱动及电流示意图。

CCU6E霍尔传感器模式

捕获/比较单元6(CCU6E)是英飞凌的8/16位单片机中包含的专用电机驱动单元，内部结构如图4所示。CCU6E包含两个专用16位定时器(T12，T13)，可以产生各种PWM调制信号，支持交流电机、直流无刷电机、开关磁阻电机等多种电机控制，结构框图如图4所示。CCU6E还提供支持块交换和多相电机控制的多通道模式，并集成专用霍尔传感器模式，可在使用极少CPU资源的前提下实现直流无刷电机的控制。



图4：CCU6E结构框图。

霍尔传感器模式如图6所示。在霍尔传感器模式中，CCU6E通过专用输入接口*OS0、1、2自动采样霍尔信号，为滤除霍尔信号中的干扰，CCU6E利用死区时间计数器DTC0实现滤波功能，任何霍尔信号的跳变将自动重载DTC0并开始向下计数，当DTC0计数到1时，进行霍尔信号的采集操作。从而在霍尔信号变化到采样点之间产生了一个延时，减少干扰对换相的影响。



图5：寄存器MCMOUTL定义。

当滤波延时完成后，CCU6E会自动进行霍尔信号的采样和比较操作，如果霍尔输入值等于期望值(MCMOUTH中EXPH)，则表明发生正确的霍尔换相事件(CHE)，可触发正确霍尔换相中断。如果输入霍尔信号既不等于期望值，也不等于当前霍尔值，则表明霍尔信号发生错误(如霍尔信号线断开)，同时可触发错误霍尔事件中断，通知CPU进行相应处理。


图6：CCU6E 霍尔传感器模式示意图。

正确霍尔换相事件(CHE)可以触发换相操作，自动更新多通道模式输出控制寄存器(MCMOUTL)。MCMOUTL用于调制6路PWM，其寄存器定义如图5所示，MCMPx(x = 0～5)用于调制6路PWM(CC60～62，COUT60～62)，当MCMPx = 1时，对应的PWM通道输出PWM，当MCMPx = 0时，对应的PWM输出无效电平，因此对MCMOUL的更新即可以实现对6路PWM的调制操作。

为避免软件更新MCMOUTL带来的换相延迟，CCU6E添加了映射机制，使用MCMOUTSL寄存器(映射寄存器)。当正确换相事件发生时，MCMOUTSL中的内容会自动更新到MCMOUTL中，从而自动改变6路PWM的输出状态。用户程序仅需在下次换相前更新映射寄存器MCMOUTSL即可。

定时器T13用于产生PWM信号，PWM与MCMPx(x = 0～5)进行耦合，输出到PWM端口，产生所需的PWM。

在霍尔传感器模式中，CCU6E可以自动进行霍尔信号的滤波、采样、比较、换相操作，与传统的软件扫描相比，换相准确，换相误差小，尤其对于高速直流无刷电机等对换相误差要求高的应用领域，其优势更加明显。

霍尔传感器模式在同步整流中的应用

在同步整流控制中，需要互补输出的PWM，但T13无法满足要求，因此需要使用T12生成互补PWM，DTC0～2用于死区时间生成。由于霍尔传感器模式中使用DTC0进行霍尔滤波操作，因此在同步整流中无法使用。此时利用CCU6E中T13可与其它外部事件进行同步的特性替代DTC0，完成硬件霍尔滤波。系统框图如7所示，任何霍尔信号的跳变可自动触发T13定时操作(T13TEC = 0x07)，通过设定T13周期值即可实现滤波时间的设定，当T13计数到周期设定值时，自动触发霍尔信号的采样及比较操作(HSYNC = 0x02)。PWM由T12与3个通道设定值比较产生，同时添加死区时间，当正确霍尔事件发生时，PWM信号与MCMPx耦合，输出到对应的PWM端口。



图7：适用于同步整流的“霍尔传感器模式”示意图。

实验结果

本文针对上述控制方法，在英飞凌低压驱动套件上进行实现，驱动24V直流无刷电机BL3056，PWM频率15K，霍尔信号通过*OS0 - 2输入，霍尔输入滤波时间10us，实现同步整流控制。电机端线对地电压如图8所示。每相逆变桥的上、下管交替导通，死区时间为2us。



图8：同步整流控制中电机端线及逆变桥驱动电压。

图9为同步整流控制下，霍尔信号输入及换相之间的波形图，其中紫、黄、绿色波形为霍尔输入信号，D0～D5为六路PWM输出信号，由图可以看出霍尔信号跳变至输出PWM换相之间的间隔为10us，正好为T13的滤波时间。



图9：利用霍尔传感器模式时的换相波形。

本文小结

本文阐述了利用英飞凌XC866/846中包含的CCU6E模块实现硬件霍尔换相和同步整流的方案，并进行了验证。与传统的利用软件扫描霍尔输入的方案相比，CCU6E可以自动进行霍尔信号滤波、采样、比较及换相等操作，CPU占用率低，占有软件资源少，换相误差小，电机控制效率高，对于高速电机等对换相误差要求高的应用，具有很大优势。