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

1. 芯片簡介

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路高級定時器AD16C4T，3路通用定時器GP16C2T，1路基本定時器BS16T。多達17個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)動器HVG以及5V LDO，特別適合于電池供電的馬達驅(qū)動。具有死區(qū)時間以及防止功率器件直通短路保護功能。

ES32M0150主要用于無感BLDC、有感FOC電機應用，例如電動工具、園林工具、電動平衡車、水泵和風機等電機控制領域。

2. 電動扳手方案

2. 1 概述

電源

? 18V 鋰電池供電

電機

? 無感BLDC方波控制

特點

? 六步換相控制

? 啟動力矩大

? 初始位置檢測

? BEMF過零點檢測

? 速度閉環(huán)控制

? 多級硬件剎車保護電流

? 集成預驅(qū)可靠性高

功能

? 軟啟動

? LED 照明

? 手柄開關啟動和自停

? 支持調(diào)速開關

? 正反轉(zhuǎn)控制

? 過流保護

? MOS 管過溫保護

? 電池欠壓保護

? 電量指示

? 故障報警指示

2. 2 電動扳手原理框圖

2. 3 六步換相 

PWM控制方式(H-PWM-L-ON)

? 上橋臂PWM調(diào)制導通

? 下橋臂高電平導通

2. 4 信號采樣

PWM & ADC

? 四路高級定時器，均可工作在PWM中心對齊模式，其中三路定時器控制電機三相驅(qū)動，第四路的PWM比較匹配事件可靈活設置在三相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互聯(lián)PIS的輸入信號，由PIS自動觸發(fā)插入組ADC轉(zhuǎn)換檢測斷開相的反電動勢。

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

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

反電動勢判斷過零

? 通過檢測各相反電動勢的過零點，就可以獲得轉(zhuǎn)子的幾個關鍵位置來實現(xiàn)無霍爾傳感器的直流無刷電機換相控制。

? 只要在每個60°內(nèi)檢測不通電那一相的電壓，即可檢測到反電動勢。

? 兩個換相點的中間都對應一個反電動勢的極性改變的點，即反電動勢從正變化為負或者從負變化為正的點，稱為過零點。

? 利用反電動勢的這個特性，只要我們能夠準確檢測出反電動勢的過零點，將其延遲30°，即為需要換相的時刻。

建立閉環(huán)調(diào)速

? 每一相的反電動勢都有兩種過零情況：從正變?yōu)樨摵蛷呢撟優(yōu)檎?。三相共有六種過零情況，對應六種換相狀態(tài)，這種對應關系固定不變。

? 換相順序做成表，程序每檢測到一個過零點，就通過查表來決定相應的PWM和IO輸出，控制下一步哪兩相通電。

? 插入組ADC檢測切換到當前的斷開相繼續(xù)檢測反電動勢過零點，如此循環(huán)，直至建立穩(wěn)定的閉環(huán)。

? 過零點超前換相點30°電角度，因此在檢測到過零點后，要先延遲30°電角度再換相。而相鄰兩個過零點之間的時間間隔是60°電角度， 通過測量的兩個過零點的時間間隔， 就可以計算出換相時間。

? 當閉環(huán)建立后， 通過軟件濾波，電機的轉(zhuǎn)速是漸變的，相鄰兩個換相周期的時間相差不會很大。

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

初始位置檢測

? BLDC電機的起動方式是控制難點。由于電機繞組的反電動勢與轉(zhuǎn)速正相關，當轉(zhuǎn)速很低時，BEMF也非常小以致很難準確檢測，本方案電機采用高頻注入法實現(xiàn)轉(zhuǎn)子初始位置定位，以給定速度啟動。

? 工作原理：對處于永磁體磁場中的線圈施加一個電壓，根據(jù)磁場方向的不同，產(chǎn)生的電流會增強或削弱磁場的強度，從而使線圈電感減小或增大。

? 實現(xiàn)方法：先將某一相繞組連接到高電平，另外兩相接地，這時產(chǎn)生的定子磁場方向如圖所示。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)生一個方向相反的磁場。兩種情況的通電時間都很短，轉(zhuǎn)子并不轉(zhuǎn)動，繞組中產(chǎn)生一個電流脈沖。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)。然后換一相電機繞組重復剛才的過程，把轉(zhuǎn)子定位在另外180°的范圍內(nèi)。三相繞組各進行一次檢測，三個范圍的重合處，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間都很短，因此不會擔心過流的問題。另外由于不會改變轉(zhuǎn)子位置，在轉(zhuǎn)子運行的間隙中也可以用這種方法來檢測轉(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控制芯片，集成三相柵極驅(qū)動器驅(qū)動MOSFET。芯片性價比高，用戶可以進一步降低BOM成本，減小PCBA面積。內(nèi)置兩個模擬比較器，可靈活實現(xiàn)比較器過零檢測和硬件過流保護。注入組高速ADC滿足大多數(shù)低速電機應用場合。

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

參考設計板