英飞凌霍尔霍尔传感器模式应用

在现有的电动自行车应用方案中，霍尔传感器信号的采样、比较操作都是通过软件进行，存在一定的换相误差，当使用高速直流无刷电机的时候，尤其明显。在此本文提出了一种基于英飞凌XC866/846的CCU6E 模块实现硬件霍尔信号滤波的方案，并可现同步整流控制，提高换相准确性。

关键词：电动自行车，硬件霍尔滤波，同步整流

1. 前言

电动自行车作为一种环保的交通工具，已经得到了越来越广泛的使用。直流无刷电机及控制器作为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，尤其对中高速电机尤为明显。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。

2. 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，影响逆变器效率。

图2 简单梯形波控制中的电流示意图

为了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极低的导通阻抗，损耗很小。例如当续流电流10A，MOSFET导通电阻10mΩ，二极管D2压降0.7v时，如果续流电流流经D2时，产生损耗为7W，而经过MOSFET时产生损耗为仅为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，效果更明显，这种控制方式亦称之为同步整流，电流示意图如图3a。由于MOSFET的上、下管需要交替开通，为了避免直通的危险，因此需要添加死区时间。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

3. 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CCPOS0、1、2自动采样霍尔信号，为了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。

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。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，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。

图5 寄存器MCMOUTL 定义

为了避免软件更新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。用户程序仅需要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，优势更加明显。

图6 CCU6E 霍尔传感器模式示意图

4. 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，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。在此利用CCU6E中T13可以与其他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。