引言

　　在家用電器、供暖、通風(fēng)、空調(diào))和汽車應(yīng)用中，DC無(wú)刷電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器的使用率越來(lái)越高。造成這種現(xiàn)象的原因是其所擁有的高效、可靠、緊湊、低維護(hù)等級(jí)以及低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，而這些都將轉(zhuǎn)化為成本的節(jié)省。

　　家用電器常常運(yùn)用傳統(tǒng)技術(shù)，比如帶有起動(dòng)電容的AC磁阻單相電機(jī)和通用式電機(jī)。所有這些解決方案采用AC供電方式，工作速度都是恒定不變的，而且并未關(guān)注效率。

　　如今，客戶所提出的要求越來(lái)越多，他們渴望擁有改良型功率分配方案、更加優(yōu)越的性能以及更低的噪聲電平：傳統(tǒng)技術(shù)的局限性正日益凸顯出來(lái)。

　　同時(shí)，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)能量－效率比提出了新的更高要求，用戶在挑選家用電器時(shí)，除了產(chǎn)品的價(jià)格之外，還會(huì)對(duì)其能耗等級(jí)和噪聲電平等特征加以比較。

　　圖1 永磁轉(zhuǎn)子和定子

　　基本原理

　　無(wú)刷DC電機(jī)的工作原理非常簡(jiǎn)單。這種電機(jī)基于一個(gè)裝有永久磁鐵的轉(zhuǎn)子和一個(gè)安裝了三個(gè)相距120°的繞組的定子。三相逆變器按正確的順序來(lái)驅(qū)動(dòng)繞組，并生成一個(gè)用于對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行“磁推動(dòng)”旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。逆變器根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置在繞組的6個(gè)不同的時(shí)間段里發(fā)生極化。轉(zhuǎn)子的位置可采用位置傳感器或機(jī)械式開(kāi)關(guān)以不同的方式讀出，也可以采用由轉(zhuǎn)子位置所產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)估計(jì)。后一種方法被稱為“反向EMF”。

　　顯然，虛擬傳感器具有多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，即：免除了相關(guān)的費(fèi)用，而且，與霍爾效應(yīng)傳感器截然不同是，它不會(huì)破損。這就意味著可靠性和效率的提高以及重量和體積的減小。

　　但是，這種無(wú)傳感器型解決方案需要進(jìn)行更加復(fù)雜的處理，以精確估測(cè) 轉(zhuǎn)子的位置，或?qū)�繞組的6個(gè)起動(dòng)相位進(jìn)行正確的驅(qū)動(dòng)。

　　在每一轉(zhuǎn)的6相中，每次只對(duì)兩個(gè)繞組進(jìn)行供電。第三個(gè)繞組(也是唯一未被施加偏壓的繞組)正是允許讀出由轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的電壓以及其位置的繞組。

　　控制完全依賴于使定子的驅(qū)動(dòng)相位與讀出操作之間保持一個(gè)規(guī)定的恒定距離(用角度來(lái)表示)。

　　事實(shí)上，控制本身并沒(méi)有任何特殊的要求，但是設(shè)計(jì)師不得不面對(duì)源自高電流的噪聲問(wèn)題。因此，必須對(duì)反向EMF讀出電平進(jìn)行補(bǔ)償和濾波處理，以降低噪聲電平�？傊�，控制系統(tǒng)的效率依存于準(zhǔn)確獲知轉(zhuǎn)子位置以及正確驅(qū)動(dòng)繞組相位的能力。但是濾波器增加了一個(gè)取決于信號(hào)頻率和轉(zhuǎn)速的固有相移。

　　在濾波過(guò)程中，如果產(chǎn)生了一個(gè)與速度有關(guān)的相位誤差(隨后是一個(gè)非恒定誤差)，那么在啟動(dòng)條件下將遭遇失敗。也就是說(shuō)，將無(wú)法獲悉轉(zhuǎn)子的確切位置。

　　為了解決這一問(wèn)題，可以采用針對(duì)不同轉(zhuǎn)速的相應(yīng)濾波器，從而優(yōu)化相位誤差校正。通常，該解決方案需要巨大的處理能力，而這種處理能力只能由DSP或基于分立元件的可配置濾波器來(lái)提供。但是，這些濾波器需要使用大量的外部元件。

　　PSoC

　　為此，賽普拉斯推出的創(chuàng)新方案，并非基于傳統(tǒng)型微控制器，而是一款先進(jìn)的可編程系統(tǒng)級(jí)芯片—PSoC(見(jiàn)圖1)，通過(guò)PSoC嵌入式基本組件、運(yùn)算放大器和開(kāi)關(guān)電容器，可以構(gòu)建所有必需的外設(shè)。用戶可根據(jù)自己的需要來(lái)選擇低通濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如Butterworth、Bessel和Chebechev，這些濾波器的特點(diǎn)各不相同。

　　對(duì)于本文所討論的應(yīng)用，低通Bessel濾波器提供了一個(gè)與交換值頻率成比例的相移：這使得對(duì)相移的影響盡可能地小，而它是與濾波信號(hào)關(guān)聯(lián)度最高的特性。

　　由于本文所涉及的應(yīng)用的主要的目標(biāo)是獲知轉(zhuǎn)子的位置。因此PSoC的第二個(gè)特性相當(dāng)重要。低通Bessel濾波器的相移取決于信號(hào)的頻率，并在逐漸接近濾波器本身的交叉頻率時(shí)發(fā)生變化。在PSoC中，濾波器基于開(kāi)關(guān)電容，因此，濾波器特性(主要是相移)可在濾波器的交叉頻率發(fā)生變化時(shí)保持恒定。這種解決方案是采用標(biāo)準(zhǔn)分立元件所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，而如果采用PSoC，這就轉(zhuǎn)化成了濾波器模擬塊上的一個(gè)簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)頻率漂移。顯然，如果用戶把該頻率漂移與通過(guò)給定子相位供電來(lái)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的頻率聯(lián)系起來(lái)，就能夠成功地解決這個(gè)問(wèn)題：對(duì)反向EMF信號(hào)的讀出電平進(jìn)行濾波，而且，濾波器的交叉頻率是隨著轉(zhuǎn)速而線性移動(dòng)的，因此由于對(duì)于所有的速度，濾波操作的相移都是恒定的。

　　PSoC架構(gòu)的固有靈活性再次使得能夠?qū)Υ藛?wèn)題進(jìn)行詳細(xì)的分析，從而造就了一種理想的解決方案。該解決方案可在任何架構(gòu)約束條件下得以實(shí)現(xiàn)。

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