纳芯微丨一颗芯片搞定BLDC驱动：NSUC1610高度集成电机控制方案解析

　　三相BLDC电机在汽车电子中应用十分广泛，例如座椅风扇、充电小门执行机构、主动进气格栅以及空调出风口等场景。对于这类车载小型执行机构，工程师通常希望在满足可靠性的同时，实现系统的低成本、小型化和轻量化设计。

　　针对这一需求，纳芯微推出了专用小型电机驱动芯片 NSUC1610。该芯片在单器件中集成了车载高压LDO、LIN PHY、Gate Driver、MOSFET以及基于ARM内核的MCU，可为三相BLDC电机提供高度集成的控制方案，从而简化系统设计并提升车载电机控制的可靠性。

　　本文将从BLDC电机的工作原理出发，介绍无感控制的基本方法，并结合NSUC1610的硬件架构解析其三相BLDC驱动方案的实现方式。

1.BLDC工作原理

　　图1.1 三相无刷电机磁链简图

　　图1.2 BLDC感应电动势

　　三相BLDC需要三个半桥驱动，其拓扑图1.3所示。

　　图1.3 三相半桥逆变驱动结构

　　2.NSUC1610 介绍

　　NSUC1610内部集成了丰富的电机控制外设，包括 3路捕获比较模块(CAPCOM)、3路反电动势比较器(BEMFC)、模数转换器(ADC)、PWM控制模块、温度传感器、4路MOSFET半桥输出(MOUT)以及LIN通信接口(LIN PHY) 等。

　　其中，片上的 4路MOUT半桥驱动可直接驱动小功率直流有刷电机、三相无刷直流电机以及两相四线步进电机，并可通过不同控制算法实现多种电机控制应用。

　　此外，芯片内置的 BEMFC反电动势比较器支持BLDC电机反电动势过零检测，可用于实现BLDC电机的无感六步方波控制。

　　图2.1展示了NSUC1610的内部资源框图。

　　图2.1 NSUC1610内部资源框图

　　3.基于NSUC1610的BLDC方波控制

　　BLDC常见的控制方式为六步方波控制。在每个换相周期中，三相绕组中两相导通，一相悬空，通过按照特定的导通顺序切换各相绕组的通断状态，即可驱动电机实现顺时针旋转(CW)或逆时针旋转(CCW)。

　　在 CW(顺时针)模式下，扇区切换顺序为：

　　SECTOR0➝1➝2➝3➝4➝5➝0

　　图3.1展示了扇区0~5对应的三相电流与反电动势波形，其中绿色曲线表示相电流，蓝色虚线表示相电压(反电动势)。

　　图3.1 CW 模式下不同扇区对应的反电动势波形

　　在 CCW(逆时针)模式下，扇区切换顺序为：

　　SECTOR0➝5➝4➝3➝2➝1➝0

　　扇区0~扇区5的三相电流和反电动势波形如图3.2所示。

　　图3.2 CCW 模式下不同扇区对应的反电动势波形

　　在一个电角度旋转周期内，BLDC三相绕组的相电压变化如图3.3所示。当发生换相时，原本导通的绕组会进入浮空状态，但由于线圈中仍然存在电流，电感电流无法瞬间降为零，因此会产生一段退磁时间(Demagnetization Time)。

　　在这一阶段，绕组中的续流电流仍然存在，使得相电压主要由续流电流产生的电压分量决定，此时测得的反电动势信号尚不能准确反映转子位置。待绕组中的能量逐渐释放完毕后，绕组电压重新由切割磁力线产生的反电动势主导，此时的反电动势信号才可作为转子位置检测和换相控制的依据。

　　图3.3 电机绕组三相电压波形

　　图3.4 电机换相逻辑图

　　BLDC无感六步方波控制的核心在于反电动势(BEMF)的过零检测。通过检测反电动势信号的上升沿或下降沿，可以确定转子的电角度位置，并进一步实现换相控制。

　　下面介绍 NSUC1610 中反电动势过零检测的硬件实现方式。

　　NSUC1610内部集成了 三个反电动势比较器(BEMFC0、BEMFC1、BEMFC2)，用于实现三相反电动势的过零检测。比较器的输出结果可作为 虚拟三相 Hall 信号，用于驱动三相BLDC无感六步方波控制算法。

　　具体实现方式如下：三相电压的虚拟中性点(Virtual Star Point)连接至BEMFC0、BEMFC1、BEMFC2 的正向输入端;各相桥臂电压分别连接至比较器的反向输入端，其中：

　　mout0 连接至 BEMFC0 的反向输入端

　　mout2 连接至 BEMFC1 的反向输入端

　　mout1 连接至 BEMFC2 的反向输入端

　　其硬件连接关系如 图3.5 所示。

　　3.5 反电动势比较器的输入通道连接方式

　　反电动势比较BEMFC模块的配置代码如下：

BEMFC->CR2_b.BRM = 0; // 0：虚拟星点参考 1：相位电压参考

BEMFC->CR2_b.BIS0 = 0; // 0：电压传感输入 1：电流传感输入

BEMFC->CR2_b.BIS1 = 0; // 0：电压传感输入 1：电流传感输入

BEMFC->CR2_b.BIS2 = 0; // 0：电压传感输入 1：电流传感输入

　　BEMFC0、BEMFC1 和 BEMFC2 的比较输出分别连接至 CAPCOM0、CAPCOM1 和 CAPCOM2，用于实现反电动势过零点的捕获。其中：

　　CAPCOM0 用于捕获 mout0 的过零点

　　CAPCOM1 用于捕获 mout2 的过零点

　　CAPCOM2 用于捕获 mout1 的过零点

　　通过将 CAPCOM 的输入源配置为 BEMFC 比较器输出，即可在反电动势过零时触发捕获事件。配置代码如下：

CAPCOM->CCR_b.CIS0 = 1; // CAPCOM source:0:GPIO 1:BEMFC

CAPCOM->CCR_b.CIS1 = 1; // CAPCOM source:0:GPIO 1:BEMFC

CAPCOM->CCR_b.CIS2 = 1; // CAPCOM source:0:GPIO 1:BEMFC

　　当电机以 CW 或 CCW 方向旋转时，在同一扇区内浮空相的反电动势变化趋势保持一致，即呈现 递增或递减的特性。

　　以 扇区0 为例，无论电机以 CW 还是 CCW 方向旋转，浮空相 MOUT2 的反电动势均呈 递增趋势(↗)，因此需要检测其上升过零点。

　　六个扇区中需要检测的通道及对应的反电动势变化趋势总结如 表3.6 所示。

　　表3.6不同扇区对应的检测通道

　　CAPCOM在不同扇区的配置如表3.7所示。

　　表3.7不同扇区CAPCOM配置

　　通过上述配置，利用 NSUC1610 的片上资源即可实现对 BLDC 浮空相反电动势的检测与捕获。

　　在 NSUC1610 的硬件模块与控制算法协同作用下，可实现 BLDC 从 电机启动到速度闭环运行的完整控制流程。图3.8展示了 NSUC1610 驱动下的 BLDC 三相电压与电流波形。

　　从测试结果可以看出，电机启动及运行过程中三相电流过渡平滑，未出现明显电流尖峰，验证了该方案能够实现 稳定可靠的 BLDC 启动及闭环控制。

　　图3.8 NSUC1610 驱动下的 BLDC 三相电压与电流波形

　　通过将MCU、LIN通信、电机驱动以及功率MOSFET等功能高度集成在单芯片中，NSUC1610能够显著简化BLDC电机控制系统的硬件设计。结合内置反电动势比较器和CAPCOM模块，可实现稳定可靠的无感六步控制方案。

　　该方案非常适用于汽车小型执行机构应用，例如主动进气格栅、充电小门以及座椅风扇等场景，为汽车电子系统提供了一种高集成度、低成本且易于开发的电机控制解决方案

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