CN103684128A - 基于soc的带霍尔传感器的三相无刷直流电机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于SOC的带霍尔传感器的三相无刷直流电机控制方法，通过两个支持霍尔事件采样和支持可编程死区时间的互补PWM输出功能的定时器级联方式实现。定时器由可编程的预分频器、自动装载寄存器、计数器、触发器、霍尔传感器接口、输入滤波和边沿检测器、捕获/比较寄存器、输出控制模块构成，可以实现脉冲宽度和波形周期从几个微秒到几个毫秒的调节。本发明通过SOC芯片直接输出带反馈调控的三相互补PWM电机控制信号，具有精度高，稳定性高、可靠性强的特点；合理地利用SOC芯片中的定时器，提高了定时器的使用率，进而提高了SOC芯片的性能。

Description

基于SOC的带霍尔传感器的三相无刷直流电机控制方法

技术领域

本发明涉及带霍尔传感器的三相无刷直流电机的控制方法，尤其适用于在SOC芯片设计中实现的带霍尔传感器的三相无刷直流电机的控制方法。

背景技术

无刷直流电机用电子换相取代了直流电机的机械换相，保留了直流电机的优良特性的同时也克服了直流电机的一些缺点，无刷直流电机具有体积小、重量轻、出力大、效率高、可靠性高、稳定性好的特点，使其广泛应用在汽车、工具、工业工控、自动化以及航空航天等领域。

直流无刷电动机的电机除了电机电枢、永磁励磁两部分外，为了实现电子换向的位置检测，通常还带有传感器。霍尔位置传感器是目前常用的转子位置检测器件，鉴于控制器复杂度和成本的考虑，无刷直流电机通常为三相结构，通过三个相隔120°角度均匀分布的霍尔传感器实现转速和位置的控制。

目前市面上的可以进行电机控制的SOC芯片大多采用单独的PWM生成模块来实现电机控制的功能，这样增加了芯片的面积，降低了芯片的使用效率。

发明内容

本发明的目的在于通过对SOC芯片定时器功能的复用，提供一种基于SOC的带霍尔传感器的三相无刷直流电机的控制方法，提高设计模块的使用率，进而提高SOC芯片的性能，同时简化用户使用SOC芯片控制电机的工作。

本发明的技术方案如下：

一种基于SOC的带霍尔传感器的三相无刷直流电机控制方法，其包括以下步骤：

1）组建控制系统：

所述控制系统由SOC芯片内两个支持霍尔事件采样和支持可编程死区时间的互补PWM输出功能的定时器级联实现，第一定时器作为接口来连接霍尔传感器，第二定时器产生PWM信号驱动电机；

所述第一定时器、第二定时器分别包括触发器、预分频器、自动装载寄存器、CNT计数器、霍尔传感器接口，以及由三个输入滤波和边沿检测器、三个捕获/比较寄存器以及三个输出控制模块构成的三个通道；其中，第一定时器的第二通道的输出端连接到第二定时器的触发器的输入端；

所述触发器与触发输入信号以及预分频器相连，根据有效的触发输入信号产生触发事件，复位或使能预分频器；

所述预分频器与时钟信号、触发器以及CNT计数器相连，将CNT计数器的时钟频率按1到2³²之间的任意值分频，是一个基于32位寄存器控制的32位计数器，所述预分频器带有缓冲器，能够在工作时被改变；

所述自动装载寄存器与CNT计数器相连，具有预先装载功能，所述自动装载寄存器的内容允许立即或在每次的更新事件时传送到影子寄存器，当计数器达到溢出条件时产生更新事件；

所述CNT计数器与预分频器、自动装载寄存器以及三个通道的捕获/比较寄存器相连，是一个32位的计数器，由所述预分频器输出分频后的时钟信号驱动，可向上计数、向下计数或者向中间对齐计数；

所述霍尔传感器接口包括一个异或门，所述异或门的输出端连接到第一通道的输入滤波和边沿检测器，所述异或门的三个输入端为分别作为与霍尔传感器的接口；

所述输入滤波和边沿检测器与霍尔传感器接口以及捕获/比较寄存器相连，针对输入信号进行滤波和有效边沿检测，滤波的带宽可配置；

所述捕获/比较寄存器与输入滤波和边沿检测器以及输出控制模块相连，如果选择预装载特性，写入的数值被立即传输至所述捕获/比较寄存器中，否则只有当更新事件发生时，预装载值才传输至当前捕获/比较寄存器中，当前捕获/比较寄存器与所述CNT计数器的值比较，产生输出信号；

所述输出控制模块与捕获/比较寄存器相连，处理刹车事件和产生带死区时间的互补PWM输出；

2）控制流程：

所述第一定时器作为接口连接霍尔传感器，霍尔传感器的信号连接到第一定时器的三个输入脚，三个输入通过霍尔传感器接口的异或门连接到第一输入通道，第一定时器捕获霍尔信号；当三个输入之一变化时，第一定时器的CNT计数器重新从0开始计数，产生一个由霍尔输入端的任何变化而触发的时间基准，第一定时器的第一通道的捕获/比较寄存器配置为捕获模式，捕获值反映了捕获/比较寄存器的两输入间的时间延迟，给出了电机的速度信息；

第一定时器在每次任一霍尔传感器输入上发生变化之后的一个指定的时刻，输出一个脉冲，所述脉冲通过触发一个COM事件改变第二定时器各个通道的属性以及PWM的配置；

第二定时器产生PWM信号驱动电机，第一定时器的通道在一个指定的延时之后产生一个正脉冲，所述正脉冲被送到第二定时器；第二定时器产生三相六路由寄存器配置可调周期和占空比的互补PWM信号；

第二定时器的输出控制模块的死区时间寄存器控制电路，根据死区寄存器调节两路互补PWM信号间的死区时间；

第二定时器的输出控制模块的刹车控制电路，在有外部刹车输入时，输出首先被置于复位状态即无效的状态，当设置了刹车中断使能时，进入刹车中断处理程序来处理所述刹车事件。

本发明的有益技术效果是：

本发明通过采用同一个高频时钟来产生三相六路同步PWM信号，来提高电机控制的稳定性。

本发明通过死区寄存器来调节两路互补PWM信号间的死区时间，避免了由于逆变器的上下桥臂同时导通，使驱动电路处于短路状态，桥臂上驱动功率管因流过太大电流而瞬间烧毁，使电机控制更加可靠。

本发明通过采用霍尔传感器反馈信号来控制产生PWM信号，形成电机控制系统的闭环，提高了电机控制的可靠性和安全性。

本发明的第二定时器的输出控制模块的刹车控制电路，在有外部刹车输入时，输出首先被置于复位状态即无效的状态（取决于极性），这是异步操作，即使定时器没有时钟时，此功能也有效，如果设置了刹车中断使能，此时，会进入刹车中断处理程序来处理刹车事件，这个特性可以用在安全控制方面，例如电机在实际运转中有可能发生一些故障，如：负载过重，轴承损坏等，这都会造成电动机的电枢电流太大很容易毁坏电机，因此当发生过流时要马上禁止输出PWM脉冲，此时可以使用刹车输入，保证了电机控制的安全性。

附图说明

图1是本发明控制系统的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

如图1所示，本发明的控制系统由SOC芯片内的两个支持霍尔事件采样和支持可编程死区时间的互补PWM输出功能的定时器1、定时器2级联方式实现。其中，定时器1作为接口来连接霍尔传感器，而定时器2产生PWM信号驱动电机。

定时器1、定时器2的结构包括如下组成模块：

触发器：根据有效的触发输入信号TRC，产生触发事件。

预分频器，可以将CNT计数器的时钟频率按1到2³²之间的任意值分频，是一个基于32位寄存器控制的32位计数器，这个控制寄存器带有缓冲器，能够在工作时被改变。

自动装载寄存器：具有预先装载功能，预装载寄存器的内容允许立即或在每次的更新事件UEV时传送到影子寄存器（ARM中的一种寄存器），当计数器达到溢出条件（向下计数时的下溢条件）时，产生更新事件。更新事件也可以由软件产生。

CNT计数器：是一个32位的计数器，由预分频器输出分频后的时钟信号驱动，可以向上计数、向下计数或者向中间对齐计数。

霍尔传感器接口：定时器1的通道1的输入滤波器连接到一个异或门的输出端，异或门的三个输入端分别为ch1、ch2和ch3，作为与霍尔传感器的接口。

输入滤波和边沿检测器1-3：针对定时器输入信号进行滤波和有效边沿检测，滤波的带宽可以配置，可以有效防止信号抖动带来的误检测，实现对输入信号的捕获功能。

捕获/比较寄存器1-3：如果选择预装载特性，写入的数值会被立即传输至捕获/比较寄存器中，否则只有当更新事件发生时，此预装载值才传输至当前捕获/比较寄存器中，当前捕获/比较寄存器同CNT计数器值比较，并产生输出信号。

输出控制模块1-3：主要处理刹车（Bkin）事件和产生带死区时间（DTG）的互补PWM输出。

以下结合图1说明本发明的控制方式：

首先，配置定时器1，用于捕获霍尔事件：

配置定时器1的通道1为：输入逻辑为ch1，ch2，ch3三输入的异或（XOR）输出。ch1，ch2，ch3三输入分别接到霍尔元器件的管脚。

设置定时器1的通道1为捕获模式，根据滤波需要，设置输入滤波器。ch1，ch2，ch3三输入中任何一个产生有效变化，定时器1即可捕获到霍尔事件，捕获值反映了两个输入变化间的时间延迟，给出了电机的速度信息。

设置定时器1的自动装载寄存器TIM1_ARR为最大值，设置预分频寄存器，使其计数周期大于霍尔传感器上的两次变化的时间间隔，使定时器1的更新事件只能由通道1捕获事件产生（计数器必须通过霍尔事件的变化清零）。

设置定时器1的通道2为PWM模式2（参见表1），设置通道2的比较寄存器TIM_CCR2值，在CNT计数器向上计数时，CNT计数器的计数值TIM_CNT<TIM_CCR2时，通道2为无效电平（低电平），否则为有效电平（高电平），产生一个与霍尔事件有一定延时的正脉冲信号。

选择定时器1的通道2的输出oc2作为定时器1的触发输出TRC。

选择定时器1的触发输出TRC连接到定时器2的触发器的输入端。

然后，设置定时器2，用于产生控制电机的PWM信号：

设置定时器2的三个通道为输出比较通道，均输出PWM信号，使能互补输出有效。

设置定时器2的自动装载寄存器TIM2_ARR来确定三相PWM的周期，设置三个比较寄存器TIM2_CCR1、TIM2_CCR2、TIM2_CCR3来确定三相PWM的占空比，从而输出驱动电机的三相互补PWM信号。

设置定时器2的捕获/比较寄存器为预装载的，使能触发输入COM事件，在每次有触发输入事件时产生COM中断，用户在定时器2的COM事件的中断子程序里写入下一步的PWM信号控制位（CCxE、CCxNE、OCxM[2:0]，x为1,2,3，三个通道可以分别进行配置，详见表1），定时器2根据定时器1捕获到的霍尔事件获得的电机速度信息来确定下一步输出的PWM波形来调控电机的速度。

表1：PWM控制位解析表

定时器2的输出控制模块使用2个D触发器，采样比较结果OCxREF信号的上升沿和下降沿，使用一个反相器产生一个与比较结果OCxREF信号互补的OCxREFN信号。

设置定时器2的死区时间寄存器DTG[7:0]，来插入需要的死区时间。使用OCxREF上升沿来启动一个计数器向上计数，当计数器值等于死区时间时，得到插入死区时间的PWM信号oc_tmp；使用OCxREF下升沿来启动另外一个计数器向上计数，当计数器值等于死区时间时，得到插入死区时间的PWM信号ocn_tmp。如果死区时间是0，那么oc_tmp与ocn_tmp相位是完全互补的，用户应该根据连接的输出器件和它们的特性（电平转换的延时、电源开关的延时等）来调整死区时间。

配置定时器2的输出信号的极性位CCxP和CCxNP，可以为每一个输出独立地选择极性（主输出OCx或互补输出OcxN）。

当有刹车功能需求时，设置定时器2主输出使能MOE有效，当有刹车信号输入时，主输出使能位MOE会被异步清“0”，开启刹车功能，OCx和OCxN信号输出无效状态，该功能通过一个5位选择器实现（详见表2），互补信号OCx和OcxN（详见表3）通过下列控制位的组合进行控制：CCxE、CCxNE、MOE、OSSI（运行模式下输出关闭状态选择）和OSSR（空闲模式下输出关闭状态选择）位。

表2：带刹车功能的互补输出OCx与OCxN的控制位

表3：输出空闲状态时OCx和OCxN输出

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于SOC的带霍尔传感器的三相无刷直流电机控制方法，其特征在于包括以下步骤：

1）组建控制系统：

所述控制系统由SOC芯片内两个支持霍尔事件采样和支持可编程死区时间的互补PWM输出功能的定时器级联实现，第一定时器作为接口来连接霍尔传感器，第二定时器产生PWM信号驱动电机；

所述第一定时器、第二定时器分别包括触发器、预分频器、自动装载寄存器、CNT计数器、霍尔传感器接口，以及由三个输入滤波和边沿检测器、三个捕获/比较寄存器以及三个输出控制模块构成的三个通道；其中，第一定时器的第二通道的输出端连接到第二定时器的触发器的输入端；

所述触发器与触发输入信号以及预分频器相连，根据有效的触发输入信号产生触发事件，复位或使能预分频器；

所述预分频器与时钟信号、触发器以及CNT计数器相连，将CNT计数器的时钟频率按1到2³²之间的任意值分频，是一个基于32位寄存器控制的32位计数器，所述预分频器带有缓冲器，能够在工作时被改变；

所述自动装载寄存器与CNT计数器相连，具有预先装载功能，所述自动装载寄存器的内容允许立即或在每次的更新事件时传送到影子寄存器，当计数器达到溢出条件时产生更新事件；

所述CNT计数器与预分频器、自动装载寄存器以及三个通道的捕获/比较寄存器相连，是一个32位的计数器，由所述预分频器输出分频后的时钟信号驱动，可向上计数、向下计数或者向中间对齐计数；

所述霍尔传感器接口包括一个异或门，所述异或门的输出端连接到第一通道的输入滤波和边沿检测器，所述异或门的三个输入端为分别作为与霍尔传感器的接口；

所述输入滤波和边沿检测器与霍尔传感器接口以及捕获/比较寄存器相连，针对输入信号进行滤波和有效边沿检测，滤波的带宽可配置；

所述捕获/比较寄存器与输入滤波和边沿检测器以及输出控制模块相连，如果选择预装载特性，写入的数值被立即传输至所述捕获/比较寄存器中，否则只有当更新事件发生时，预装载值才传输至当前捕获/比较寄存器中，当前捕获/比较寄存器与所述CNT计数器的值比较，产生输出信号；

所述输出控制模块与捕获/比较寄存器相连，处理刹车事件和产生带死区时间的互补PWM输出；

2）控制流程：

所述第一定时器作为接口连接霍尔传感器，霍尔传感器的信号连接到第一定时器的三个输入脚，三个输入通过霍尔传感器接口的异或门连接到第一输入通道，第一定时器捕获霍尔信号；当三个输入之一变化时，第一定时器的CNT计数器重新从0开始计数，产生一个由霍尔输入端的任何变化而触发的时间基准，第一定时器的第一通道的捕获/比较寄存器配置为捕获模式，捕获值反映了捕获/比较寄存器的两输入间的时间延迟，给出了电机的速度信息；

第一定时器在每次任一霍尔传感器输入上发生变化之后的一个指定的时刻，输出一个脉冲，所述脉冲通过触发一个COM事件改变第二定时器各个通道的属性以及PWM的配置；

第二定时器产生PWM信号驱动电机，第一定时器的通道在一个指定的延时之后产生一个正脉冲，所述正脉冲被送到第二定时器；第二定时器产生三相六路由寄存器配置可调周期和占空比的互补PWM信号；

第二定时器的输出控制模块的死区时间寄存器控制电路，根据死区寄存器调节两路互补PWM信号间的死区时间；

第二定时器的输出控制模块的刹车控制电路，在有外部刹车输入时，输出首先被置于复位状态即无效的状态，当设置了刹车中断使能时，进入刹车中断处理程序来处理所述刹车事件。

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